Two of the main technological challenges of the century are the production of clean energy, on the one hand, and the development of new materials for electronic and spintronic applications that could increase the speed and the storage capacity of regular electronic devices, on the other hand. Organic materials, including fullerenes, organic polymers and organic molecules with metal centres are promising candidates for low-cost, flexible and clean technologies that can address these challenges. A thorough description of the electronic properties of such materials is, therefore, crucial. The interaction of electromagnetic radiation with the molecule can provide the needed insight into the electronic and vibrational levels and on possible chemical interactions. In order to explain and interpret experimentally measured spectra, a good theoretical description of the particular spectroscopy is necessary. Within density functional theory (DFT), the current thesis discusses the theoretical tools used to describe the spectroscopic properties of molecules with emphasis on two classes of organic materials for photovoltaics, molecular electronics and spintronics. Specifically, the stability of the fullerene derivative PC60BM is investigated in connection with its use as an electron acceptor in organic solar cells and the valence band electronic structure of several transition metal phthalocyanines is studied for their possible application in electronics and spintronics. The spectroscopies discussed in the current work are: the photoelectron spectroscopy of the valence band, X-ray photoelectron spectroscopy of the core levels, near-edge X-ray absorption fine structure, Infrared and Raman vibrational spectroscopies

La structure et la spectroscopie de molécules d'intérêt astrophysique ont été étudiées par des méthodes de calcul électronique ab initio hautement corrélées. Notre démarche a tout d'abord été d'étudier des systèmes allant de deux à quatre atomes, afin de voir l'influence du niveau de calcul électronique utilisé lors de la détermination de données comparables aux résultats expérimentaux. Ainsi, l'étude de la spectroscopie des états électroniques de la molécule AlCl a été entreprise. Les résultats obtenus pour ce système reproduisent parfaitement les mesures expérimentales existantes tout en introduisant la compréhension des phénomènes observés. Nous avons ensuite prédit un ensemble de données pour les ions AlCl+ et AlCl2+, en utilisant la même méthodologie. Nous avons également entrepris des calculs de durée de vie de prédissociation pour les molécules SH et SH+. Nos courbes d'énergie potentielle hautement corrélée nous ont permis de reproduire avec une grande précision les durées de vie de prédissociation des niveaux rovibrationnels de SH. Par la suite, nous avons étudié une molécule d'intérêt astrophysique, détectée dans l'atmosphère de Titan, N2H+. Nous avons généré des surfaces d'énergie potentielle multidimensionnelles pour les états fondamentaux des molécules N2H+, N2H2+ et N2HAr+. Ces surfaces ont été utilisées pour le calcul des niveaux rovibrationnels de ces ions et de leurs espèces deutérées. Un excellent accord avec les donné es expérimentales disponibles a été obtenu, et un ensemble de constantes spectroscopiques a été prédit. Enfin, nous nous sommes intéressés à une molécule plus grande, Si(C2H3)4. Cette étude nous a permis d'établir une méthodologie pour le calcul de la structure et des états électroniques excités de molécules de taille moyenne. Nous avons également effectué des calculs sur l'ion Si(C2H3)4+, afin d'interpréter sa fragmentation mesurée lors de l'expérience d'impact d'électron réalisée à l'Université de Bratislava durant cette thèse / Highly correlated ab initio methodologies were used to investigate the structure and the spectroscopy of small and medium sized molecules at different levels of theory. Our results are compared to the available experimental data. For the AlCl molecule, our computed spectroscopic constants were in good agreement with the experimental ones, allowing us to predict a set of predictive data for the less known AlCl+ and AlCl2+ ions. After that, we treated the predissociation lifetimes of the A state of SH and SH+. Our highly correlated calculations allowed us to reproduce the lifetimes measured experimentally. Thereafter, multidimensional potential energy surfaces of the ground state of N2H+, N2H2+ and N2HAr+ were generated. These surfaces were used for the calculations of rovibrational levels of these ions and their respective deuterated species. An overall excellent agreement was obtained comparing to the available experimental measurements. Finall y, we investigated the Si(C2H3)4 molecule in order to establish a methodology for the treatment of the structure and electronic excited states of medium sized molecules. We also studied the reactivity of the Si(C2H3)4+ ion for a tentative assignment of the mass spectra obtained in the University of Bratislava by an electron impact experiment

Title: Theory of aggregates of photosynthetic molecules: spectroscopy, structure, transport phenomena Author: Ján Lalinský Institute: Institute of Physics of Charles University Supervisor of the master thesis: RNDr. Tomáš Mančal, PhD., Institute of Physics of Charles University Abstract. A theory of absorption of light in an isotropic solution of molecules was formulated on the basis of electromagnetic theory of par- ticles with attention to relativistic nature of their interaction and its im- pact on the spectrum of circular dichroism. Calculations of the absorption spectra of simple systems were performed to demonstrate the properties of the mathematical model. Also calculations of the absorption spectra of the models of the bacteriochlorophyll dimer which were proposed as possible basic unit in the lamellar model of the interior of a chlorosome were performed. The experimental spectra of solution of non-aggregated bacteriochlorophyll were used to fit the parameters of the mathematical model of the molecule and for these parameters the spectra of the pro- posed models of a dimer were calculated. It has been found that the new non-electrostatic terms in the description of the mutual interaction of the parts of the molecule are negligible for calculations of ordinary absorption spectrum, but they have...

Cette thèse propose une méthode théorique innovante pour l'étude des spectres d'excitation à un électron, mesurée par spectroscopie de photoémission directe et inverse.La plupart des calculs actuels au niveau de l’état de l’art reposent sur des fonctions de Green à plusieurs corps et des self-énergies complexes et non locales, évaluées spécifiquement pour chaque matériau. Même lorsque les spectres calculés sont en très bon accord avec les expériences, le coût de calcul est très important. La raison est que la méthode elle-même n'est pas efficace, car elle fournit beaucoup d'informations superflues qui ne sont pas nécessaires pour l'interprétation des données expérimentales.Dans cette thèse, nous proposons deux raccourcis par rapport à la méthode standard. Le premier est l'introduction d'un système auxiliaire qui cible, en principe, le spectre d'excitation du système réel. L'exemple type est la théorie de la fonctionnelle de la densité, pour lequel le système auxiliaire est le système de Kohn-Sham : elle reproduit exactement la densité du système réel par l'intermédiaire d'un potentiel réel et statique, le potentiel de Kohn-Sham. La théorie de la fonctionnelle de la densité est, cependant, une théorie de l'état fondamental, qui ne fournit que rarement des propriétés d'état excités : un exemple est le fameux problème de la sous-estimation de la bande interdite. Le potentiel que nous proposons (le potentiel spectral), local et dépendant de la fréquence, mais réelle, peut être considéré comme une généralisation dynamique du potentiel de Kohn-Sham qui donne en principe le spectre exact.Le deuxième raccourci est l'idée de calculer ce potentiel une fois pour toute dans un système modèle, le gaz d'électrons homogène, et de le tabuler. Pour étudier des matériaux réels, nous concevons un connecteur qui prescrit l'utilisation des résultats du gaz pour calculer les spectres électroniques.La première partie de la thèse traite de l'idée de systèmes auxiliaires, montrant le cadre général dans lequel ils peuvent être introduits et les équations qu'ils doivent satisfaire. Nous utilisons des modèles de Hubbard solubles exactement pour mieux comprendre le rôle du potentiel spectral ; en particulier, il est démontré que le potentiel peut être défini uniquement chaque fois que le spectre est non nul, et donne toujours les spectres attendus, même lorsque la partie imaginaire ou les contributions non locales de la self-énergie jouent un rôle de premier plan.Dans la deuxième partie de la thèse, nous nous concentrons sur les calculs pour les systèmes réels. Nous évaluons d'abord le potentiel spectral dans le gaz d'électrons homogène, puis l'importons dans le système auxiliaire pour évaluer le spectre d'excitation. Toute l’interdependence non triviale entre l'interaction électronique et l'inhomogénéité du système réel entre dans la forme du connecteur. Trouver une expression pour cela est le véritable défi de la procédure. Nous proposons une approximation raisonnable basée sur les propriétés locales du système, que nous appelons approximation du connecteur dynamique local.Nous mettons en œuvre cette procédure pour quatre prototypes de matériaux différents : le sodium, un métal presque homogène ; l'aluminium, encore un métal mais moins homogène ; le silicium, un semi-conducteur ; l'argon, un isolant inhomogène. Les spectres que nous obtenons avec cette approche concordent de manière impressionnante avec ceux qui sont évalués via la self-énergie, très coûteuse en temps de calcul, démontrant ainsi le potentiel de cette théorie. / This thesis proposes an innovative theoretical method for studying one-electron excitation spectra, as measured in photoemission and inverse photoemission spectroscopy.The current state-of-the-art realistic calculations rely usually on many-body Green’s functions and complex, non-local self energies, evaluated specifically for each material. Even when the calculated spectra are in very good agreement with experiments, the computational cost is very large. The reason is that the method itself is not efficient, as it yields much superfluous information that is not needed for the interpretation of experimental data.In this thesis we propose two shortcuts to the standard method. The first one is the introduction of an auxiliary system that exactly targets, in principle, the excitation spectrum of the real system. The prototypical example is density functional theory, in which the auxiliary system is the Kohn-Sham system: it exactly reproduces the density of the real system via a real and static potential, the Kohn-Sham potential. Density functional theory is, however, a ground state theory, which hardly yields excited state properties: an example is the famous band-gap problem. The potential we propose (the spectral potential), local and frequency-dependent, yet real, can be viewed as a dynamical generalisation of the Kohn-Sham potential which yields in principle the exact spectrum.The second shortcut is the idea of calculating this potential just once and forever in a model system, the homogeneous electron gas, and tabulating it. To study real materials, we design a connector which prescribes the use of the gas results for calculating electronic spectra.The first part of the thesis deals with the idea of auxiliary systems, showing the general framework in which they can be introduced and the equations they have to fulfill. We then use exactly-solvable Hubbard models to gain insight into the role of the spectral potential; in particular, it is shown that a meaningful potential can be defined wherever the spectrum is non-zero, and that it always yields the expected spectra, even when the imaginary or the non-local parts of the self energy play a prominent role.In the second part of the thesis, we focus on calculations for real systems. We first evaluate the spectral potential in the homogeneous electron gas, and then import it in the auxiliary system to evaluate the excitation spectrum. All the non-trivial interplay between electron interaction and inhomogeneity of the real system enters the form of the connector. Finding an expression for it is the real challenge of the procedure. We propose a reasonable approximation for it, based on local properties of the system, which we call dynamical local connector approximation.We implement this procedure for four different prototypical materials: sodium, an almost homogeneous metal; aluminum, still a metal but less homogeneous; silicon, a semiconductor; argon, an inhomogeneous insulator. The spectra we obtain with our approach agree to an impressive extent with the ones evaluated via the computationally expensive self energy, demonstrating the potential of this theory.

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This thesis explores and expands upon theoretical means of quantifying a number of nonlinear spectroscopies, including two-photon absorption, resonant-inelastic x-ray scattering, Jones birefringence, and magnetic circular dichroism. On top of that, detailed information is given for the derivation and program implementation of damped cubic response functions. Complex-valued cubic response functions have been implemented in the quantum chemistry package DALTON, based on working equations formulated for an approximate-state wave function. An assessment of the implementation, such that for small frequencies the second-order hyperpolarizability should behave according to an analytic function that depends quadratically on the optical frequencies. It is demonstrated how two-photon absorption (TPA) can be described either through second-order transition moments or via the damped cubic response function. A few calculated TPA profiles are produced for a set of smaller molecules, in order to display the capability of the cubic response function in the x-ray frequency region. Resonance-inelastic x-ray scattering (RIXS) is explored in a similar manner as two-photon absorption. It is shown how the second-order hyperpolarizability can represent RIXS in the limit of intermediate-state and final-state resonances. Complications emerging from the complex dispersion of the hyperpolarizability are discussed. Moreover, linear birefringences, with focus on the Jones birefringence, are investigated for noble gases, monosubstituted benzenes, furan homologues, and a pure acetonitrile liquid. A linear relation between the Jones birefringence and the empirical para-Hammett constant as well as the permanent electric dipole moment is presented. Estimations of three linear birefringences --- Kerr, Cotton--Mouton, and Jones ---are obtained by averaging over a set of liquid snapshots. The Jones effect for acetonitrile turns out to be unusually large inmparison to the other two investigated linear birefringences. The final chapter of the thesis investigates magnetically induced circular dichroism (MCD). A question regarding relative stability of the first set of excited states for DNA-related molecular systems is resolved through MCD by exploiting the signed nature of circular dichroisms. Furthermore, to what extent solvent contributions affect MCD spectra is explored. The effect on uracil MCD spectrum due to thionation is studied, for which the degree of redshifting for systems 2-thiouracil and 4-thiouracil can be seen to be addative as compared to the 2,4-dithiouracil system. / <p>QC 20171129</p>

Um neue Halbleiter-Bauelemente zu entwickeln und die Effizienz bereits existierender zu verbessern, müssen neue Materialien erkundet und untersucht werden. Für Anwendungen in Hochleistungselektronik und UV-Optoelektronik ist Ga2O3 mit seiner ultra-weiten Bandlücke von 4.8 eV ein vielversprechender Kandidat. Diese Anwendung haben zu wachsendem Interesse an seinen fundamentalen elektronischen und optischen Eigenschaften geführt. Diese Dissertation präsentiert eine umfassende ab initio-Untersuchung der elektronischen Anregungen in Ga2O3, um zu dem Verständnis dieser fundamentalen Eigenschaften beizutragen. Die Arbeit besteht aus zwei Teilen: Im ersten Teil präsentieren wir eine Vielteilchen-Störungstheorie Methode zur konsistenten Berechnung der neutralen Anregungen von Valenz- und Kernelektronen in kristallinen Halbleitern. Diese ermöglicht die präzise Berechnung von Absorptions- und Streuungsspektren vom optischen bis zum Röntgenbereich. Zusätzlich präsentieren wir einen neuartigen Ausdruck für resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) innerhalb unseres Vielteilchen-Formalismus, der eine detaillierte Analyse dieser Streuung erlaubt. Mit ausgewählten Beispielen demonstrieren wir das Potential unserer Implementation, die Spektren dieser verschiedenen spektroskopischen Methoden zu berechnen, zu analysieren und zu interpretieren. Im zweiten Teil der Dissertation verwenden wir unsere Methode, um die Anregungen der Valenzelektronen, sowie der Ga 1s-, Ga 2p- und O 1s-Elektronen in Ga2O3 zu berechnen. Wir finden ausgeprägte Unterschiede in den diversen Röntgenabsorptionsspektren von Ga2O3 -Polymorphen, die von der unterschiedlichen lokalen elektronischen Struktur stammen. Wir bestimmen die Zusammensetzung der Valenz- und Kernanregungen und analysieren ihre Signatur in den verschiedenen Absorptions- und Streuungsspektren. Abschließend demonstrieren wir wie RIXS einen zusätzlichen Blickwinkel auf die Valenz- und Kernanregungen und deren Wechselwirkungen ermöglicht. / To develop new semiconductor devices and improve the performance of existing ones, the exploration and understanding of novel materials is required. With an ultra-wide band gap of around 4.8 eV, Ga2O3 is a promising candidate for applications in UV-optoelectronics and power electronics. These applications have led to an increasing interest in its fundamental electronic and optical properties. In this thesis, we present a comprehensive first-principles study of the electronic excitations of Ga2O3 to contribute to the understanding of these fundamental properties. The thesis consists of two parts: In the first part, we present an all-electron many-body perturbation theory (MBPT) approach for consistent calculations of neutral core and valence excitations. It enables accurate calculation of absorption and inelastic scattering spectra in the optical, UV, and x-ray region. While these spectroscopic techniques probe either the valence or core excitations, resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) reveals the interplay between the two. We present a novel expression for the RIXS cross section within our all-electron many-body formalism that allows for a detailed analysis of this interplay. We demonstrate the capability of our implementation to compute, analyze, and interpret the different spectroscopic techniques with selected examples of prototypical insulators. In the second part, we apply our approach to study valence excitations, as well as excitations of various core states, i.e. the gallium 1s, gallium 2p, and oxygen 1s states in Ga2O3 . Comparing the core spectra of Ga2O3 polymorphs, we find distinct differences that originate from their local environments. We determine the composition of valence and core excitons, and analyze their signatures in the various absorption and scattering spectra. Finally, we demonstrate how RIXS can be employed to provide a different viewpoint on the core and valence excitations and unravel the interplay between them.

Dans ce travail, une nouvelle voie pour le calcul de la fonction de Green (GF) à une particule a été développée. L' objectif est de remédier aux défauts de nombreuses autres approches à plusieurs corps, par exemple l'approximation GW (GWA), dans le traitement des forts effets de corrélation dans les solides. L'idée consiste à résoudre un ensemble d'équations différentielles fonctionnelles et non-linéaires, qui sont centrales à la théorie des perturbations à plusieurs corps. Dans un premier temps, ce qu'on appelle le modèle à un 1-point est employé (une seule valeur pour chaque variable d'espace, temps, spin est retenue) et l'ensemble des équations se réduit alorsà une seule équation algébrique, pour laquelle une solution exacte et explicite est obtenue. La solution est utilisée comme outil de référence pour analyser les performances des autres méthodes bien établies (par exemple, des versions différentes de GW). Par ailleurs, des approximations alternatives sont conçues et pour les plus prometteuses la généralisation à la forme fonctionnelle (complète) est discutée. La dernière partie de cetravail aborde la généralisation de l'approche au-delà du cadre à1-point. Tout d'abord la dépendance en fréquence de la GF est restaurée (tout en conservant le modèle à un 1-point pour les variables d'espace et despin) et l'ensemble des équations est résolu. Il est montré que dans un tel cadre, il est possible de retrouver ce que l'on appelle "l'expansion en cumulants" pour GF- une approximation qui va au-delà de GW et fournit des fonctions spectrales en bon accord avec les expériences de photo-émission . Enfin, à l'aide d'un ansatz, une famille de solutions pour les equations dans leur forme fonctionnelle est obtenue et des moyens sont proposés, allant bien au delà de l'état de l'art, afin d'obtenir des approximations pour celles ayant une signification physique.