Modélisation et simulation de la structure électronique de petites molécules environnementales : Un exemple : les halogénures et monoxydes de Lanthanides (Ce et Lu)

Modelling and Simulation of the electronic structure of small environmental molecules : An example : The halides and monoxides of Lanthanides (Ce & Lu)

• Auteur / Autrice : Sandy Makhlouf
• Direction : Sylvie Magnier, Fadia Taher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Soutenance le 10/11/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules (PhLAM)
• Jury : Président / Présidente : Georges Wlodarczak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ziad Adem, Edmond Abi Aad, Walid Harb
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maud Rotger, Wehbeh Farah

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxyde de lutétium

Oxydes de cérium

Spectroscopie moléculaire

Méthodes ab initio (chimie quantique)

Structure électronique

Halogénures

Métaux des terres rares

Molécules diatomiques

Mots clés libres

Fluorure de cérium

Sulfure de zirconium

Interaction spin-orbite

Spin orbit coupling

Electronic structure

Ab-initio calculions

Rare earth elements

Diatomic molecules

Résumé

Nos travaux de recherche portent sur l’étude théorique de la structure électronique de molécules diatomiques environnementales telles que le monoxyde de cérium et de lutétium (CeO et LuO), le monofluorure de cérium (CeF) et le monosulfure de zirconium (ZrS). Pour réaliser ces études, nous avons eu recours aux méthodes ab initio de chimie quantique qui englobent les méthodes de Hartree-Fock, la méthode du champ auto-cohérent complet de l'espace actif (CASSCF) et les méthodes d'interaction de configuration multi-référence (MRCI) à simple et double excitation. Le progiciel MOLPRO a été utilisé pour les calculs sans et en incluant le couplage spin-orbite, avec la correction de Davidson et en symétrie C2v. Pour chaque molécule des fonctions de bases atomiques spécifiques ont été déterminées et différents modèles théoriques testés. Les courbes d’énergie potentielle des états électroniques 2S+1L+/- et des composantes O+/- ont été tracées sur un intervalle de distance internucléaire conséquent puis ajustées au potentiel de Morse pour en déduire les constantes spectroscopiques (l’énergie électronique à l’équilibre Te, la distance internucléaire d’équilibre Re, les constantes vibrationnelles harmonique ωe et anharmonique ωeXe et, la constante rotationnelle Be). Les moments dipolaires de transition et permanents ont ensuite été calculés pour les états 2S+1L+/-. Pour identifier les composantes O+/-, la composition en pourcentages des états parents S-L+/- ont été obtenus via le calcul tenant compte du couplage spin-orbite.Nos résultats sans et avec spin-orbite sont comparés à ceux trouvés expérimentalement et montrent un bon accord. Globalement, une erreur relative inférieure à 6% est retrouvée pour toutes les constantes spectroscopiques des molécules étudiées.

Our research work focuses on the theoretical investigation of the electronic structure of environmental diatomic molecules such as the cerium and the lutetium monoxides (CeO and LuO), the cerium monofluoride (CeF) and the zirconium monosulfide (ZrS). For these studies, we used ab initio quantum chemistry methods which encompass the Hartree-Fock methods, the complete active space self-consistent field (CASSCF) method and the multi-reference configuration interaction methods (ICMR) with single and double excitation. The MOLPRO software package is used to perform the calculations with and without the inclusion of the spin-orbit coupling. The Davidson's correction is considered and the calculations are elaborated in the C2v symmetry. For each molecule, corresponding atomic basis functions are adopted and theoretical models are tested. As result, the potential energy curves are plotted and then fitted to the Morse potential in order to determine the spectroscopic constants (the equilibrium electronic energy Te, the equilibrium internuclear distance Re, the harmonic ωe and anharmonic ωe vibrational constants and the rotational constant Be) of the electronic states 2S+1Lambda+/- and the respective Omega+/- components. The transition and permanent dipole moments are estimated for the Lambda+/- states. The Omega+/- components and the mixing percentages that provide the parental states Lambda+/- are obtained from the ICMRSD(+Q) calculations including the spin-orbit coupling.Our results with and without taking into consideration the spin-orbit effect are very satisfactory. They are compared with the experimental data and show good agreement and in general the relative error is found of less than 6% for all the spectroscopic constants of the studied molecules.