Approche Numérique des Matériaux

1. Approche Numérique des Matériaux 1er Congrès Nord-Sud de Physique Oujda 2007 A. Mokrani, Institut des Materiaux Jean Rouxel, Nantes France 1/ De l’atome au Solide 2/ Approches théoriques 3/ Exemples de modélisations

2. De l’atome au solide 1 10 100 1023 Taille système  molécules nanostructures massif atomes (macroscopique) (microscopique) Observations expérimentales: •Propriétés mécaniques •Propriétés électriques •Propriétés optiques Approchethéorique (physique quantique) Interprétation Prédiction

3. Le carbone sous toutes ses formes Graphite Diamant Fullerène Nanotube Plusieurs types Différentes propriétés

4. (107) (1)

5. électrons de valence Atome = { ion + z électrons } ion r a Approche Théorique * Une date très importante pour la physique du solide:arrivée de la MQ Avant : Modèles phénoménologiques Physique des semi-conducteurs, des lasers, … non comprise, Après :Théories des bandes Maîtrise des semi-conducteurs, … Nouveaux matériaux nouvelles propriétés { Différents types chimiques }  Solide = { atomes }  Propriétés physiques Organisation particulière  Approximations à plusieurs niveaux  Calculs de la structure électronique

6. Propriétés optiques Absorption, émission, fluorescence, Lasers Propriétés mécaniques Comportement sous un champ de contraintes ? Dureté, plasticité des matériaux Structure électronique Propriétés magnétiques Comportement sous un champ magnétique ? Contrôler l’ordre magnétique ? Propriétés électriques Comportement sous un champ électrique ? Conductivité électrique Conducteurs, semi-conducteurs, isolants

7. Density Functional Theory Théorie de le Fonctionnelle de la densité (DFT)

8. Approche Khon-Sham (1965)

9. END

10. Calculs ab initio (TB-LMTO) • The von Barth-Hedin local exchange correlation potentiel Langreth-Mehl-Hu non local correction Quelques exemples de modélisations de matériaux Systèmes XGe2 (X=Mn, Fe, Co)

11. Magnétisme du XGe2 (X=Fe, Co, Mn) en volume Optimisation de la géometrie

12. Magnétisme en volume de FeGe2 mGe =0.06 mB(XMCD on Fe/Ge superlattice Freeland PRB 2004) • F Configuration • AF Configuration

13. F Configuration Magnétisme de films de FeGe2 2 Fe ML & 3 Ge ML • AF Configuration

14. F Configuration 4 Fe ML & 3 Ge ML • AF Configuration

15. Ordre magnétique en fonction de l’épaisseur du film

16. FeGe2 , MnGe2 and CoGe2

17. FeMn_Ge_MnFe

18. FeFe_Ge_MnMn

19. Magnetism in Jamesonite FePb4Sb6S14 Structure deFePb4Sb6S14

20. Experimental lattice parameters aexp=5.908 Å cexp=4.955 Å Experiment magnetic structure

21. Configurations magnétiques calculées • Configuration F • Configuration AF

22. Approximation de la densité locale (LDA) Pour calculer Pour un gaz d’électrons homogène, avec la densité électronique : on sait calculer l’énergie d’échange corrélation :

23. 5/ Examples TB-LMTO with super-cell model empty spheres surface bulk

24. F Configuration 6 Fe ML & 5 Ge ML • AF Configuration

25. F 2 Fe ML & 3 Ge MLt = -5 % • AF

26. F 2 Fe ML & 3 Ge MLt = +5 % • AF

27. F 2Fe ML & 3 Ge MLt= -10% • AF

28. Structure de bande des composés[In16]Oh[InX]TdS32 (X=Cu et/ou Na) Examiner la bande interdite en fonction de X • Largeur du gap ? • Nature du gap ?

29. Modèle de calcul • Théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) • Nous utilisons un code de calcul ab-initio (TBLMTO) • Un potentiel d’échange et corrélation de von Barth-Hedin avec une correction non locale de Langreth-Mehl-u.  Mesures XPS qui montrent l’évolution du gap

31. Les deux configurations avec Na

39. Conclusion • Interprétation et prédiction • Complémentarité entre l’approche semi-empirique et ab initio • On traite des systèmes de plus en plus complexes • Interactions entre nanostructures: nanotubes-nanotubes, nanotube-polymères,… • Insertion dans les nanotubes,… • Molécules d’ADN,… en marche vers la physique du vivant…