Développement d’un schéma de couplage QM/MM (Quantum Mechanic / Molecular Mechanic) pour les états excités localisés dans les matériaux hybrides organique-inorganiques

Development of a QM /MM (Quantum Mechanic / Molecular Mecanic) coupling scheme for the excited states localized in the organic-inorganic hybrid materials

• Auteur / Autrice : Pierre Fayon
• Direction : Ross Brown
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie-physique
• Date : Soutenance le 16/12/2011
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés optiques

Chimie quantique

Dynamique moléculaire

Électrons -- Spectres

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Couplage QM/MM

Matériaux hybrides organiques-inorganiques

Calcul TDDFT

Spectres électroniques UV-visibles

LCAO DFT

Dynamique moléculaire

Atome frontière

Produits Dominants

QM/MM coupling

Organic-inorganic hybrid materials

TDDFT calculation

Electronic spectra

LCAO DFT

Molecular dynamics

Boundary atom

Dominant products

Résumé

Ces dernières années, la mise au point de matériaux hybrides organique-inorganiques a fait l’objet d’un intérêt grandissant dans le domaine de la chimie verte. Les matériaux hybrides a base de silice fonctionnalisée par des molécules organiques possèdent des propriétés modulables, permettant leur application dans plusieurs domaines (photochimie, médecine, dépollution . . .). D’un point de vue théorique, le challenge d’une telle étude résulte dans la détermination des propriétés d’optiques. En effet, la taille de ces systèmes ne permet pas un traitement de ces derniers d’un point de vue strictement quantique. L’enjeu de ce travail de recherche est le développement d’un programme qm/mm/tddft (Quantum Mechanic/Molecular Mechanic/ Time Dependant Density Functional Theory), pour le calcul des états électroniques excités localisés dans les solides, avec une applicationparticulière au domaine UV-visible dans les matériaux hybrides organique-inorganiques.Dans la pratique, l’intégration des équations classiques du mouvement de tous les noyaux est effectuée par le programme de dynamique moléculaire dl poly, tandis que les contributions aux forces issues des atomes dans la partie de la simulation quantique sont évaluées par le code siesta en utilisant la méthode dft (Density Functional Theory). Les spectres électroniques seront calculés avec un nouveau code de tddft (Time Dependant Density Fuctional Theory) développé pour ce projet, dans lequel l’utilisation d’une base de produits dominants accélère le calcul de façon notable.

Last years, the development of organic-inorganic hybrid materials has been a growing interest in the field of green chemistry. Hybrid materials based on silica functionalized with organic molecules have flexible properties, allowing their application in several fields (photochemistry, medicine, ...). From a theoretical point of view, the challenge of such a study results in determination of the optical properties. Indeed, the size of the system does not allow treatment with a purely quantum theory. The aim of this research is to develop a qm/mm/tddft (Quantum Mechanic / Molecular Mechanic / Time Dependent Density Functional Theory) code to calculate the excited electronic states localized in solids, with a particular application for the UV-visible region in organic-inorganic hybrid materials. In practice, the integration of classical equations of motion of all the nuclei are made by the molecular dynamics program dl poly, while contributions from the forces in the quantum simulation are evaluated by using the code siesta with the dft (Density Functional Theory) method . The electronic spectra are calculated with a new tddft code developed for this project, in which the use of dominants products accelerates the calculation significantly.