Soutenance de Thèse de Doctorat

Présentation au sujet: "Soutenance de Thèse de Doctorat"— Transcription de la présentation:

1 Soutenance de Thèse de Doctorat

2 Laboratoire des Semi-Conducteurs
مــخــبــر أنــصــاف الــنــواقــل Investigation des Effets de la Basse Dimensionnalité sur les Paramètres Energétiques et Acoustiques de Nano-semiconducteurs © Copyright Showeet.com Par: Linda ACHOU Directeur de thèse: Prof. Abdellaziz DOGHMANE Mars 2017

3 Plan de l’exposé Contexte général Problématique Solution adoptée
Effets de la taille sur l’énergie de liaison des nano-agrégats de Silicium Elargissement de l’étude à d’autres types de nano-agrégats Agrégats des éléments tétravalents Agrégats des métaux nobles Influence du diamètre de nanofils de ZnO et SiC/SiO2 sur les différentes propriétés acoustiques Conclusion et perspectives © Copyright Showeet.com 09/03/2017

4 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Introduction Les nanomatériaux sont des matériaux dans lesquels une dimension au moins (la densité atomique, la taille des grains, la composition chimique ou l’orientation cristallographique) varie sur une échelle nanométrique [1-100 nm]. Avantages Domaine d’applications Optique Plus facile à transporter © Copyright Showeet.com Industrie Consomme moins d'énergie Défense Produit moins de déchets Médical Coûte moins cher Environnement 09/03/2017

5 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Structure nano-cristallins 3D Selon leurs dimensions, il est possible de classer les nanomatériaux en quatre types: 2D 1D © Copyright Showeet.com Nano-films Nano-fils 0D Nano-agrégats (Clusters) 09/03/2017

6 Un ensemble d'atomes lié de façon suffisamment étroite
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Nanomatériaux zéro-dimensionnels (0-D)  Nanomatériaux unidimensionnels (1-D)  Un ensemble d'atomes lié de façon suffisamment étroite Les dimensions sont nanométriques dans les trois directions de l’espace Contenant entre 3 et 3 x 107 atomes Classés en petits clusters (n < 14), clusters de taille moyenne (20 <n< 100) et larges clusters (n > 100) Peuvent être libres (individuels), déposés sur un substrat ou enrobés dans une matrice Peuvent être purs (Sin , Aun , Nan , Fen ) ou dopés (AuSin, etc.) Un objet cylindrique de diamètre nanométrique et d’une longueur comprise entre quelques centaines de nm jusqu’à quelques microns Peuvent être homogènes (ZnO) ou hétérogènes (SiC cœur/SiO2 coquille) © Copyright Showeet.com (a): Nano-fils homogènes (ZnO) (b): hétérogènes (SiC/SiO2) Nano-agrégats de Si (nSi ≤ 12) 09/03/2017

7 Propriétés Energie de cohésion de Si = 4.63 eV
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Propriétés A l'échelle microscopique, la plupart des propriétés restent pratiquement les mêmes que pour celles à plus grande échelle (échelle macro). Energie de cohésion de Si = 4.63 eV Module de Young de ZnO = 140 Gpa © Copyright Showeet.com La réduction de la taille lors du passage à l'échelle nanométrique modifie complètement le comportement du matériau. Ces larges fluctuations dans les propriétés physico-chimiques en fonction de la taille sont référencées par le nom de "effet de la taille", "effet d’échelle" ou encore "effet de la basse dimensionnalité". Réduction 09/03/2017

8 Mesurées par toute une gamme d'instruments expérimentaux
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Mesurées par toute une gamme d'instruments expérimentaux © Copyright Showeet.com Microscope à champ proche (SPM) Microscope acoustique à balayage (SAM) 09/03/2017 Microscope électronique à transmission (TEM)

9 Calculées par toute une gamme des méthodes théoriques (numériques)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Calculées par toute une gamme des méthodes théoriques (numériques) HΨ = EΨ La précision  Le cout Le temps Méthodes non-empiriques  Méthodes semi-empiriques Méthodes empiriques © Copyright Showeet.com 09/03/2017

10 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Problématique 2. La difficulté de choisir une méthode de calcul générale préférable à toutes les autres, qui peut offrir un compromis satisfaisant entre la précision, le cout, le temps et l’effort pour effectuer le calcul 1. Le manque des résultats expérimentaux à l’échelle nanométrique © Copyright Showeet.com 3. Le manque d’un modèle théorique (équation algébrique) qui peut généraliser tout les travaux existants dans la littérature et porte sur la prédiction de: L’énergie de liaison des nano-agrégats en fonction de n Les paramètres acoustiques des nano-fils en fonction du D 09/03/2017

11 Le développement d’un modèle théorique (approche/relation analytique)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Solution adoptée Le développement d’un modèle théorique (approche/relation analytique) Peut servir comme un bon outil d’estimation du paramètre physique voulu Basé sur la combinaison entre les différentes méthodes de calcul de la littérature existante sur le sujet © Copyright Showeet.com 09/03/2017

12 Partie I Effets de la taille sur l’énergie de liaison des nano-agrégats de Silicium © Copyright Showeet.com 09/03/2017

13 Méthodologie de travail
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Méthodologie de travail Choix des données: collecter, sélectionner et exploiter les données numériques de Eb/atom calculées par la palette de méthodes théoriques les plus fréquentes dans la littérature © Copyright Showeet.com 09/03/2017

14 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives FCTZP Bp 6s5p3d LanL2DZ 6-311G* DNP G(2d) ET-QZ3P (2d) PAW DND PW TZP aug-cc-pVTZ 6-31G* 6-31G(d) 6-31+G(d) MP2 MP4 CCSD (T) FP LMTO VWN PW/VWN PLSD Cep. & Ald. PBE BLYP PWB RPBE PW91 B3PW91 B3LYP HF Post-HF LDA GGA Hybrides HF & Post-HF DFT DMC AM1 TB Nonortho.-TB DF-TB Nonconv.-TB Non-empirique Semi-empirique Empirique LJM © Copyright Showeet.com Diagramme des méthodes computationnelles les plus utilisées dans le calcul de l'énergie de liaison des clusters de Sin 09/03/2017

15 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Quantification de l’effet de la taille sur l’énergie de liaison: la visualisation des données numériques sélectionnées et leurs transformations en graphiques puis la détermination de leurs variations analytiques Eb = f(nSi) par le fitting qui se fait dans les 2 premières régions où se manifeste l’effet de la taille nanométrique © Copyright Showeet.com 09/03/2017

16 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Formulation générale: les relations Eb = f(nSi) sont généralisées pour chaque catégorie (non-empirique, semi- empirique et empirique) © Copyright Showeet.com Validité de la relation analytique: est mise en évidence par comparaison avec les mesures expérimentales existantes 09/03/2017

17 Observation de la dépendance énergie-taille dans la gamme [1-40 at.]
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Observation de la dépendance énergie-taille dans la gamme [1-40 at.] Région initiale (nSi ≤ 5) Eb augmente rapidement avec l’augmentation de nSi Région de transition (5 ≤nSi≤10) Croissance lente de Eb Région de saturation (nSi > 10) Indépendance de Eb par rapport au nSi : Eb (nano) ≈ Ec (massif) © Copyright Showeet.com Energies de liaison des agrégats de Sin (1≤ nSi ≤40) en fonction de nombre d’atomes 09/03/2017

18 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Quantification de l’effet de la taille sur l'énergie de liaison calculée par les méthodes non-empiriques Méthodes HF et Post-HF © Copyright Showeet.com * : MP4/6-31G* ○: MP2/6-31G(d) ●: MP2/aug-cc-pVTZ ×: CCSD (T)/6-31G(d) 09/03/2017

19 (Eb)Post-HF = 3.42 – 5.80 exp (-nSi /1.90)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Le simple lissage de toutes les courbes permet d’avoir la relation analytique suivante: Eb= C + α exp (-nSi /β) Post-HF MP MP2 MP CCSD(T) Valeurs Bases (OA) aug-cc-pVTZ 6-31G (d) 6-31G* G(d) moyennes C 3.93 (0.0019) 3.49 (0.0492) 3.15 (0.0489) (0.0356) 3.42 (0.0139) α -6.41 (0.0076) -5.74 (0.2017) -5.56 (0.2653) (0.2004) -5.80 (0.0065) β 2.04 (0.0039) 2.03 (0.1145) 1.78 (0.1200) (0.0889) 1.90 (0.0033) © Copyright Showeet.com Variation moyenne (Eb)Post-HF = 3.42 – 5.80 exp (-nSi /1.90) 09/03/2017

20 (Eb)Post-HF = 3.42 – 5.80 exp (-nSi /1.90)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives On superpose l’équation analytique trouvée sur le graphique des quatre méthodes L'accord est très bon, comme le prouve l'erreur standard qui est très proche de zéro (Eb)Post-HF = 3.42 – 5.80 exp (-nSi /1.90) * : MP4/6-31G*, ○: MP2/6-31G(d), ●: MP2/aug-cc-pVTZ ×: CCSD (T)/6-31G(d) Cadran: Eb vs. nSi calculée au niveau HF/6-31G* © Copyright Showeet.com 09/03/2017

21 Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (Approximation LDA)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (Approximation LDA) (Eb)LDA = 4.17 – 7.59 exp(-nSi /1.66) ■: CA/PW ●: FP/LMTO ○: VWN/ET-QZ3p ♦: VWN/DNP *: PW-VWN/TZP □: PLSD/PW ×: PBE/6s5p3d © Copyright Showeet.com 09/03/2017

22 Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (Approximation GGA)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (Approximation GGA) (Eb)GGA = 3.56 – 6.60 exp(-nSi /1.61) *: BLYP/ET-QZ3p ♦: PWB/DNP □: PW91/DNP ●: PW91/ G(2d) ×: PW91/DND ■: PBE/PAW ○: RPBE/DND © Copyright Showeet.com 09/03/2017

23 (Eb)Hybr. = 3.41 – 7.08 exp(-nSi /1.42)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (méthodes hybrides) (Eb)Hybr. = 3.41 – 7.08 exp(-nSi /1.42) ■: B3LYP/6-311 G* ×: B3LYP/ G(2d) ○: B3LYP/LanL2DZ ♦: B3LYP/6-31 G(d) □: B3LYP/6-311+G(d) ●: B3PW91/LanL2DZ © Copyright Showeet.com 09/03/2017

24 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Tableau. Constantes caractéristiques C, α et β dépendantes des méthodes: LDA, GGA et hybrides. Nombres entre ( ) représentent l’ES LDA FP VWN VWN PBE C-A PLSD PW-VWN Valeurs Bases LMTO ET-QZ3p DNP 6s5p3d PW TZP Moyennes C 4.77 (0.0433) (0.0355) 4.24 (0.0353) 4.30 (0.0367) 3.99 (0.0319) 3.96 (0.0342) 3.56 (0.0284) 4.17 (0.0013) α -8.52 (0.2487) (0.1928) -7.60 (0.2104) -7.61 (0.2015) -7.27 (0.2021) -7.46 (0.2430) -6.99 (0.1752) -7.59 (0.0079) β 1.73 (0.0699) (0.0671) 1.70 (0.0640) 1.77 (0.0659) 1.65 (0.0608) 1.57 (0.0643) 1.47 (0.040) 1.66 (0.0023) GGA PBE PW91 PW91 PWB RPBE BLYP PAW DNP G (2d) DND ET-QZ3p 3.77 (0.0465) (0.0242) 3.69 (0.0294) 3.57 (0.0338) 3.61 (0.0306) 3.35 (0.0272) 3.23 (0.0242) 3.56 (0.0022) -6.86 (0.2951) (0.1562) -6.75 (0.1893) -6.66 (0.2280) -6.68 (0.2048) -6.23 (0.1840) -6.27 (0.1841) -6.61 (0.0147) 1.65 (0.0940) (0.0492) 1.64 (0.0605) 1.60 (0.0710) 1.61 (0.0639) 1.60 (0.0610) 1.51 (0.0608) 1.61 (0.0046) Hybrides B3PW B3LYP B3LYP LanL2DZ 6-311 G* 6-31 G (d) G(d) moyennes 4.12 (0.0299) 3.76 (0.0219) 3.21 (0.0238) 3.12 (0.0261) 3.14 (0.0019) 3.10 (0.0343) 3.41 (0.0046) -9.39 (0.3588) -9.13 (0.3090) -6.20 (0.1814) -5.87 (0.1778) -5.90 (0.0130) -6.00 (0.2012) -7.08 (0.0375) 1.21 (0.0482) 1.13 (0.0375) 1.51 (0.0544) 1.58 (0.0681) 1.59 (0.0045) 1.51 (0.0683) 1.42 (0.0096) © Copyright Showeet.com 09/03/2017

25 (Eb)Hybr. = 3.41 – 7.08 exp(-nSi /1.42)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Etude comparative des méthodes DFT (Eb)LDA = 4.17 – 7.59 exp(-nSi /1.66) (Eb)GGA = 3.56 – 6.60 exp(-nSi /1.61) (Eb)Hybr. = 3.41 – 7.08 exp(-nSi /1.42) © Copyright Showeet.com (Eb)DFT = 3.71 – 7.09 exp (-nSi /1.56) ES ≤ 1 % signifie que nous sommes très près de notre approche ciblée, ce qui est bon 09/03/2017

26 (Eb)Post-HF = 3.42 – 5.80 exp (-nSi /1.90)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Généralisation des méthodes non-empiriques (Eb)Post-HF = 3.42 – 5.80 exp (-nSi /1.90) (Eb)DFT = 3.71 – 7.09 exp (-nSi /1.56) (Eb)DMC = 3.47 – 6.21 exp (-nSi /1.71) © Copyright Showeet.com (Eb)non-empir. = exp (-nSi /1.72) Les erreurs standard de C, a et b sont , et Ces valeurs sont connues avec une assez bonne précision 09/03/2017

27 (Eb)semi-empir. = 3.84 - 6.90 exp (-nSi /1.73)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Quantification de l’effet de la taille sur l'énergie de liaison calculée par les méthodes semi-empiriques (Eb)semi-empir. = exp (-nSi /1.73) ●: DF-TB *: TB ○: Nonorthogonal TB +: NTB ×: AM1 © Copyright Showeet.com Semi-empr. DF-TB Nonorth. TB TB NTB AM1 Valeurs moy. C 4.18 (0.0251) 3.98 (0.0328) 3.66 (0.0499) (0.0550) 3.69 (0.1083) 3.84 (0.0025) α -7.64 (0.1597) -6.50 (0.1330) -6.88 (0.3499) (0.1813) -6.99 (0.5588) -6.90 (0.0140) β 1.65 (0.0455) 2.04 (0.0674) 1.57 (0.1015) (0.0871) 1.61 (0.1781) 1.73 (0.0050)

28 Potentiel empirique LJM (Eb)empir. = 3.82 - 5.60 exp (-nSi /2.63)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Quantification de l’effet de la taille sur l'énergie de liaison calculée par les méthodes empiriques Potentiel empirique LJM (Eb)empir. = exp (-nSi /2.63) © Copyright Showeet.com 09/03/2017

29 (Eb)non-empir. = 3.53 - 6.37exp (-nSi /1.72)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Détermination du modèle Eb-nSi (Eb)non-empir. = exp (-nSi /1.72) (Eb)semi-empir. = exp (-nSi /1.73) (Eb)empir. = exp (-nSi /2.63) © Copyright Showeet.com (Eb)Si = exp (-nSi /2.03) 09/03/2017

30 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Confrontation du modèle Eb-nSi aux données expérimentales (Eb)Exp= 3.68 – 5.73 exp (- nSi /1.93) (Eb)Si = exp (-nSi /2.03) © Copyright Showeet.com Un parfait accord théorie-expérience est obtenu 09/03/2017

31 Partie II Généralisation des effets de la taille à d’autres types de nano-agrégats © Copyright Showeet.com 09/03/2017

32 Nano-agrégats des éléments tétravalents
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Nano-agrégats des éléments tétravalents © Copyright Showeet.com 09/03/2017

33 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Effets de la taille sur l’énergie de liaison des nano-agrégats de Germanium (Ge) Tableau . Constantes caractéristiques C, α et β dépendantes des méthodes: LDA, GGA, hybrides et semi-empiriques. Nombres entre ( ) représentent l’ES. LDA FP CA-PZ GGA PBE PW91 Bases/PP. LMTO PW DZP DND PW C 3.61 (0.0579) (0.0319) 3.42 (0.2365) 3.26 (0.0333) 3.82 (0.1111) 3.17 (0.0329) α -6.14 (0.2655) (0.1817) -4.16 (0.8759) -5.81 (0.1961) -5.75 (0.2788) -5.66 (0.1915) β 1.89 (0.1326) (0.0681) 2.83 (0.9525) 1.71 (0.0790) 2.51 (0.2521) 1.72 (0.0800) Hybrides B3LYP B3LYP B3PW91 Semi-empiriques TB Nonorth.TB LANL2DZ G(d) 6-311+G (d) LANL2DZ 2.72 (0.0246) (0.0249) 3.07 (0.0263) 2.66 (0.0622) 3.08 (0.0379) 3.30 (0.0243) -5.35 (0.1979) (0.1992) -5.46 (0.1497) -4.58 (0.2852) -5.66 (0.2438) -5.57 (0.1125) Β 1.47 (0.0655) (0.0642) 1.74 (0.0662) 1.93 (0.1831) 1.64 (0.0929) 1.92 (0.0590) © Copyright Showeet.com Variation moyenne (Eb)Ge = 3.25 – 5.65 exp (-nGe /1.83) 09/03/2017

34 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Effets de la taille sur l’énergie de liaison des nano-agrégats de Etain (Sn) Tableau. Constantes caractéristiques C, α et β dépendantes des méthodes: post-HF, LDA, GGA, hybrides et semi-empiriques. Nombres entre ( ) représentent l’ES. Post-HF CCSD(T) LDA CA-PZ GGA PBE PW91 BLYP Bases/PP. cc-PVTZ-pp Bases/PP. PW PAW LANL2DZ C 2.56 (0.0311) C 3.40 (0.0295) 2.52 (0.1098) 2.81 (0.0223) 2.76 (0.0278) 2.16 (0.0218) α -4.24 (0.1364) α -5.80 (0.1383) -4.03 (0.0264) -5.13 (0.1412) -4.68 (0.1365) -4.09 (0.1574) β 1.98 (0.0985) β 1.87 (0.0720) 2.22 (0.2207) 1.65 (0.0604) 1.87 (0.0807) 1.55 (0.0748) Hybrides B3LYP B3PW91 B3P86 Semi-empir. TB LANL2DZ LANL2DZ 2.12 (0.0259) (0.0242) 2.68 (0.0313) 2.44 (0.0384) -3.62 (0.1261) (0.1005) -4.67 (0.1715) -4.18 (0.1836) 1.87 (0.0969) (0.0842) 1.77 (0.0915) Β 1.84 (0.8435) © Copyright Showeet.com Variation moyenne (Eb)Sn = 2.56 – 4.35 exp (-nSn /1.88) 09/03/2017

35 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Effets de la taille sur l’énergie de liaison des nano-agrégats de Plomb (Pb) Tableau. Constantes caractéristiques C, α et β dépendantes des méthodes: post-HF, GGA et hybrides. Nombres entre ( ) représentent l’ES. Post-HF MP GGA PBE PW91 Hybrides B3PW91 Bases/PP. LANL2DZ Bases/PP. PW DND LANL2DZ C 1.93 (0.0780) C 2.66 (0.0285) 2.57 (0.0279) 2.30 (0.0268) α -2.89 (0.1771) α -3.71 (0.2525) -3.99 (0.0912) -3.78 (0.1073) β 2.63 (0.3493) β 2.11 (0.1504) 2.25 (0.0923) 2.05 (0.0949) © Copyright Showeet.com Variation moyenne (Eb)Pb = 2.19 – 3.35 exp (-nPb /2.37) 09/03/2017

36 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Effets de la taille sur l’énergie de liaison des nano-agrégats de Carbone (C) Tableau. Constantes caractéristiques C, α et β dépendantes des méthodes: post-HF, LDA, GGA, hybrides, semi-empiriques et empiriques. Nombres entre ( ) représentent l’ES. Post-HF CCD CCSD(T) CCSD(T) LDA VWN GGA BPW BP Bases/PP. 6-31G* cc-PVDZ cc-PVTZ TZVP DNP C 5.08 (0.0952) (0.0948) 5.48 (0.1005) 6.89 (0.0698) 6.05 (0.1024) 6.17 (0.0692) α (1.0355) (1.1639) (1.1270) (0.3672) (1.0214) (0.4137) β 1.27 (0.1282) (0.1162) 1.25 (0.1249) 1.72 (0.0941) 1.33 (0.1180) 1.64 (0.6447) Hybrides B3LYP Semi-empir. TB Nonorth. TB DF-TB Empiriques 6-31G(d) 5.71 (0.1168) C 5.85 (0.1229) 5.52 (0.1461) 6.40 (0.0970) 5.42 (0.0598) (1.0611) α (1.8089) (1.3947) (1.2490) (0.6315) 1.39 (0.1454) β 1.11 (0.1331) 1.22 (0.1501) 1.18 (0.0997) 1.29 (0.0761) © Copyright Showeet.com Variation moyenne (Eb)C = 5.71 – exp (-nC /1.28) 09/03/2017

37 Pour comparaison, la relation Eb-nSi est tracée sur la même figure
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Détermination des modèles Eb-n pour le nano-Ge, nano-Sn, nano-C et nano-Pb (Eb)Ge = 3.25 – 5.65 exp (-nGe /1.83) (Eb)Sn = 2.56 – 4.35 exp (-nSn /1.88) (Eb)Pb = 2.19 – 3.35 exp (-nPb /2.37) © Copyright Showeet.com (Eb)C = 5.71 – exp (-nC /1.28) Représentation des relations modèles, Eb- n, obtenues pour: Gen, Snn, Pbn et Cn Pour comparaison, la relation Eb-nSi est tracée sur la même figure 09/03/2017

38 Un bon accord a été obtenu dans tous les cas
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Confrontation des modèles: Eb-nGe , Eb-nSn et Eb-nC aux données expérimentales © Copyright Showeet.com Un bon accord a été obtenu dans tous les cas 09/03/2017

39 Nano-agrégats des métaux nobles
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Nano-agrégats des métaux nobles © Copyright Showeet.com 09/03/2017

40 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Effets de la taille sur l’énergie de liaison des nano-agrégats de l’Or (Au) Tableau. Constantes caractéristiques C, α et β dépendantes des méthodes: LDA, GGA, hybrides et empiriques. Nombres entre ( ) représentent l’ES. LDA VWN PW92 SVWN5 CA-PZ Bases/pp. DNP DNP LANL2DZ USPP-PW PAW-PW C 3.01 (0.0797) (0.1049) 2.54 (0.1197) 2.69 (0.1070) 2.69 (0.1038) α -4.92 (0.3736) (0.3463) -4.06 (0.4579) -4.18 (0.4252) -4.29 (0.4592) β 1.91 (0.2186) (0.3920) 1.95 (0.3638) 2.06 (0.3417) 1.96 (0.3255) GGA PW PW91 PW91 USPP-PW PAW-PW TZ2P DNP SDD TZP 5s5p4d 1.99 (0.0857) (0.0869) 1.98 (0.1429) 2.35 (0.0810) 1.90 (0.0805) 1.92 (0.0813) 1.64 (0.0863) 1.82 (0.0833) -3.19 (0.3970) (0.4106) -3.28 (0.5314) -3.64 (0.3121) -3.06 (0.3772) -3.06 (0.3707) -3.08 (0.3814) -2.83 (0.3433) 1.92 (0.3623) (0.3601) 1.83 (0.4952) 2.09 (0.2963) 1.91 (0.3552) 1.93 (0.3579) 1.96 (0.3769) 2.02 (0.3931) PBE PBE/LANL2DZ CEP-121G CRENBEL Stuttgart 1997 DZP DZSD PW 1.98 (0.0792) 1.94 (0.0942) 1.87 (0.0910) 2.54 (0.0921) 1.85 (0.0773) 2.68 (0.0944) 1.90 (0.0716) 1.83 (0.1022) -3.11 (0.5186) 1.72 (0.4166) -3.17 (0.3650) -3.20 (0.4140) -2.99 (0.3459) -4.24 (0.4866) -2.98 (0.3702) -4.45 (0.4844) -3.20 (0.3908) 1.92 (0.3363) 1.83 (0.3682) 1.96 (0.3754) 1.80 (0.2958) 1.89 (0.3503) 1.83 (0.2884) 1.77 (0.3062) © Copyright Showeet.com 09/03/2017

41 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives GGA BP86 BLYP PW91P86 WC-PBE TPSSTPSS LANL2TZ (f) Bases/pp. cc-PVDZ-PP LANL2DZ LANL2TZ( f) DNP DZP C 1.91 (0.0863) 1.82 (0.0925) 1.94 (0.0793) 1.93 (0.0717) 2.00 (0.0825) 2.07 (0.1270) 1.93 (0.0830) 2.01 (0.0886) -3.18 (0.3935) 1.95 (0.3744) α -3.08 (0.4159) -3.02 (0.4152) -3.17 (0.3999) -3.16 (0.3579) -3.22 (0.3871) -3.41 (0.4562) -3.04 (0.3587) β 1.88 (0.3788) 1.82 (0.3835) 1.84 (0.3394) 1.85 (0.3074) 1.90 (0.3462) 1.85 (0.4218) 1.98 (0.3659) Hybrides B3PW91 B3LYP HLYP Empiriques MM EAM/DBF EAM/VC SDD SBKJC 1.72 (0.0864) 1.54 (0.0736) 1.56 (0.0791) 1.23 (0.1607) 2.26 (0.0201) 2.95 (0.0016) 2.99 (0.0438) -4.34 (0.0984) 2.64 (0.1308) -2.58 (0.3002) -2.51 (0.3694) -2.53 (0.3990) -1.81 (0.3365) -3.03 (0.0239) -5.95 (0.0438) 2.19 (0.4437) 1.85 (0.3987) 1.84 (0.4248) 2 .29 (0.9685) 3.45 (0.0848) 1.42 (0.4323) Variation moyenne © Copyright Showeet.com (Eb)Au = 2.39 – 3.86 exp (-nAu /2.24) 09/03/2017

42 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Effets de la taille sur l’énergie de liaison des nano-agrégats de l’Argent (Ag) Tableau. Constantes caractéristiques C, α et β dépendantes des méthodes: LDA, GGA, hybrides, semi-empirique et empirique. Nombres entre ( ) représentent l’ES. LDA VWN Taler-pade GGA BPW91 PBE Bases/pp. 10s5p5d PW Base /pp. 5s5p4d ( /22111/3111) DZSD LANL2DZ Tier1+spd C 1.92 (0.1153) (0.0990) 1.50 (0.0763) 1.40 (0.1211) 2.44 (0.1070) 1.52 (0.0764) 2.53 (0.3109) -3.17 (0.2371) α -2.54 (0.1805) (0.4586) -2.21 (0.2511) -2.15 (0.3285) -3.69 (0.3869) -2.31 (0.2957) β 3.07 (0.5816) (0.3785) 2.24 (0.4558) 2.07 (0.6247) 2.15 (0.3847) 2.08 (0.4396) 3.99 (1.1586) PW PW91 PW91 WC-PBE TPSSTPSS (633321/53211*/531+) TZ2P DNP LanL2DZ PW DZP LANL2TZ(f) 1.37 (0.0072) (0.1517) 1.55 (0.0650) 1.55 (0.0778) 1.62 (0.0759) 1.63 (0.1308) 1.65 (0.0031) 1.67 (0.0108) -2.15 (0.0249) (0.3716) -2.42 (0.2708) -2.36 (0.2970) -2.44 (0.2752) -2.48 (0.3297) -2.39 (0.0068) -2.33 (0.0336) 2.19 (0.0442) (0.7074) 2.01 (0.3586) 2.10 (0.4395) 2.15 (0.4128) 2.13 (0.5816) 2.68 (0.0168) 2.50 (0.0560) Hybrides B3LYP B3LYP (8s7p6d1f)/[6s5p3d1f] LANL2DZ Semi-empir. TB EAM 1.24 (0.0981) 1.23 (0.0590) 2.10 (0.0373) 2.05 (0.0366) -2.04 (0.3682) -2.04 (0.3266) -4.90 (0.4967) -4.64 (0.4515) 1.82 (0.5475) 1.76 (0.3950) 1.16 (0.1177) 1.20 (0.1200) © Copyright Showeet.com Variation moyenne (Eb)Ag = 1.94 – 4.02 exp (-nAg /1.52) 09/03/2017

43 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Effets de la taille sur l’énergie de liaison des nano-agrégats de Cuivre (Cu) Tableau. Constantes caractéristiques C, α et β dépendantes des méthodes: LDA, GGA, hybrides, semi-empiriques et empiriques. Nombres entre ( ) représentent l’ES. LDA CA-PZ CA PZ81 FP GGA BLYP PBE Bases/pp. USPP-PW Real space PW LMTO Base/pp. 6-311G+(d) DNP 7s5p4d C 2.99 (0.1493) (0.1184) 2.89 (0.1984) 2.78 (0.1689) 1.75 (0.0801) 1.73 (0.0966) 2.05 (0.0974) α -4.60 (0.4886) (0.3264) -4.35 (0.5792) -4.10 (0.4582) -2.71 (0.3264) -2.77 (0.3761) -2.96 (0.2891) β 2.09 (0.3958) (0.4242) 2.19 (0.5342) 2.26 (0.4968) 2.03 (0.3942) 1.94 (0.4321) 2.35 (0.4306) PBE PW PW91 Hybrides B3LYP B3PW91 PAW-PW DZVP DZSD LanL2DZ+f SDD LANL2DZ 2.15 (0.0981) (0.0934) 2.22 (0.0993) 2.19 (0.0868) 3.00 (0.1082) 1.69 (0.0790) 1.59 (0.1239) 1.80 (0.1067) -3.10 (0.2823) (0.3435) -3.24 (0.2928) -3.20 (0.2506) -4.58 (0.3924) -2.67 (0.3465) -2.54 (0.4152) -2.68 (0.3050) 2.38 (0.4137) (0.4506) 2.33 (0.4025) 2.38 (0.3554) 2.15 (0.3131) 1.95 (0.3975) 1.91 (0.5485) 2.21 (0.4815) Semi-empir. TB TB Empiriques EAM/DBF EAM/VC Gupta PEF LMTO-ASA-pp’s 3.14 (0.0823) 3.00 (0.4025) 2.35 (0.0476) 2.32 (0.0471) 2.35 (0.0454) 2.13 (0.0729) -4.26 (0.1254) -3.65 (2995) -4.35 (0.2491) -3.84 (0.1539) -4.33 (0.3193) -2.56 (0.0530) 3.10 (0.2472) 6.09 (1.5161) 1.58 (0.1289) 1.93 (0.1378) 1.57 (0.1469) 5.71 (0.3847) © Copyright Showeet.com Variation moyenne (Eb)Cu = 2.52 – 3.68 exp (-nCu /3.15) 09/03/2017

44 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives (Eb)Au = 2.39 – 3.86 exp (-nAu /2.24) (Eb)Ag = 1.94 – 4.02 exp (-nAg /1.52) (Eb)Cu = 2.52 – 3.68 exp (-nCu /3.15) © Copyright Showeet.com Représentation des relations modèles, Eb- n, obtenues pour Aun, Agn et Cun 09/03/2017

45 Influence du diamètre de nano-fils de ZnO et SiC/SiO2
Partie III Influence du diamètre de nano-fils de ZnO et SiC/SiO2 sur les différentes propriétés acoustiques © Copyright Showeet.com 09/03/2017

46 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Influence du diamètre de nano-fils de ZnO sur les différentes propriétés acoustiques © Copyright Showeet.com 09/03/2017

47 Méthodologie de travail
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Méthodologie de travail Choix des données: collection et exploitation des résultats représentatifs du module de Young (E) obtenus par la simulation de dynamique moléculaire et par les méthodes expérimentales les plus courantes dans la littérature © Copyright Showeet.com 09/03/2017

48 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Quantification de l’effet de diamètre sur le module de Young calculé/mesuré par les différentes méthodes: visualisation des données numériques et leur transformation en graphiques puis la détermination de la variation analytique E = f(Dwire) par la méthode d’ajustement qui se fait dans le premier régime où se manifeste l’effet de la taille nanométrique © Copyright Showeet.com 09/03/2017

49 Détermination des autres paramètres élastiques:
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Détermination des autres paramètres élastiques: nous examinons l’effet du diamètre sur les paramètres élastiques suivants: G, B, υ, VL, et VT : E/G = 2.587 G = ρVT2 (avec ρ = 5605 kg/m3) E = G(3VL2–4VT2)/(VL2–VT2) E = ρVT2(3VL2–4VT2)/(VL2–VT2) B = ρ (VL2-3/4 VT2) υ = E/2 (ρ VT2) – 1 © Copyright Showeet.com 09/03/2017

50 Procédure de calcul par la microscopie acoustique:
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Procédure de calcul par la microscopie acoustique: Introduire les vitesses acoustiques (VL et VT) dans le programme de simulation SAM, sous certaines conditions: Un demi angle d’ouverture de la lentille de 50° Une fréquence de travail = 142 MHz Le Fréon comme liquide de couplage (Vliq= 716 m/s et ρ = 1.57 g/cm3) (ii) Calculer les coefficients de réflexion: R(θ) = (Zsol – Zliq)/(Zsol + Zliq) Avec: Zliq = ρliq Vliq/cosθ et Zsol = ZL cos2(2θL)/ZT sin2(2θT) (iii) Déduire les signatures acoustiques: V(z) = ∫P2(θ) R(θ) exp(2jkozcos θ)sinθ cosθ dθ (iv) Traiter les signatures acoustiques par la transformée de Fourier rapide, FFT, pour en déduire les vitesses de Rayleigh: VR=Vliq/√1- (1-Vliq/2 f ΔZ) 2 © Copyright Showeet.com 09/03/2017

51 Influence du diamètre de nanofils de ZnO sur le module de Young
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Influence du diamètre de nanofils de ZnO sur le module de Young Régime I: (1 nm≤Dwire ≤100 nm) plus le diamètre est petit plus le module de Young est grand E = exp(-Dwire/58.38) Régime II (régime de saturation) (100 nm≤Dwire≤400 nm) Indépendance du module de Young par rapport au Dwire : Ewire ≈ Ebulk = 140 GPa © Copyright Showeet.com calculé par MD: Tension mesuré par : Systèmes MEMS: tension CR-AFM  NI-TEM SEM: tension SEM: flambage AFM Cantilever in situ SEM: tension 09/03/2017

52 Influence du diamètre de nanofils de ZnO sur R(θ) et V(z)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives R(θ): amplitude (_ _ _) et phase (____) V(z) avec les spectres de FFT Influence du diamètre de nanofils de ZnO sur R(θ) et V(z) θL , θT et θR augmentent avec l’augmentation de Dwire de 10 à 90 nm Δ(z) diminuent avec l’augmentation de Dwire de 10 à 90 nm VL diminuent de 6704 m/s à 5811 m/s et les VR de 3371 m/s à 2922 m/s avec l’augmentation de Dwire de 10 à 90 nm A Dwire = 90 nm, les θL, θT, θR et les VL, VT , VR deviennent comparables à celles du ZnO massif © Copyright Showeet.com

53 Influence du diamètre de nanofils de ZnO sur les paramètres élastiques
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Influence du diamètre de nanofils de ZnO sur les paramètres élastiques © Copyright Showeet.com Influence du diamètre de ZnO nanofils sur (a) constantes élastiques: E, B et G et (b) vitesses acoustiques: VL, VT et VR La ligne horizontale pointillée correspond au module de Young du ZnO massif selon la direction [0001] 09/03/2017

54 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives G = exp(-Dwire/58.43) B = exp(-Dwire/58.04) VL = exp(-Dwire/65.57) VT = exp(-Dwire/65.88) © Copyright Showeet.com VR = exp(-Dwire/65.85) Généralisation 09/03/2017

55 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives A = a + b exp(-Dwire/c) Tableau. Valeurs des constantes caractéristiques pour tous les paramètres acoustiques où A représente (E, G, B, VL, VT, VR, θ L, θ T, θ R). Cstes Caract. Ctes élast. (GPa) Vitesses (m/s) Ang. crit. (°) E G B VL VT VR θL θT θR a 127 49.08 102.69 8.19 15.14 16.12 b 75.37 29.15 60.64 798.96 742.91 -1.96 -3.58 -4.01 c 58.38 58.43 58.04 65.57 65.88 65.85 95.94 91.32 103.11 © Copyright Showeet.com 09/03/2017

56 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Influence du diamètre de nano-fil coaxial de SiC/SiO2 sur les différentes propriétés acoustiques © Copyright Showeet.com 09/03/2017

57 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Effets du diamètre de nanofil de SiC/SiO2 sur les paramètres élastiques Tableau. Propriétés élastiques calculées de SiC/SiO2 nanofils Diamètres (nm) Mesurés * Calculés DWire DSiC Eeff (GPa) ρeff (kg/m3) Geff (GPa) Beff (GPa) υeff VL (m/s) VT (m/s) 46 2280 17.78 37.13 0.29 56 2320 21.64 45.21 78 2310 30.15 62.96 81 2220 31.31 65.38 © Copyright Showeet.com Eeff = ρeff (8 πƒ0L2/β2Ds) E/G = 2.587 G = ρVT2 E = G(3VL2–4VT2)/(VL2–VT2) E = ρVT2(3VL2–4VT2)/(VL2–VT2) B = ρ (VL2-3/4 VT2) υ = E/2 (ρ VT2) – 1 * Z. L. Wang, Z. R. Dai, R. Gao, J. L. Gole, Journal Electron Microscopy 51 (2002), S79 Eeff: Rapportés par la technique de la microscopie électronique à transmission (TEM) 09/03/2017

58 Effets du diamètre (51≤ Dwire≤ 190 nm) de nanofil de SiC/SiO2 sur R(θ)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Effets du diamètre (51≤ Dwire≤ 190 nm) de nanofil de SiC/SiO2 sur R(θ) Les conditions de simulation sont les mêmes utilisées pour les nano-fils de ZnO © Copyright Showeet.com Les valeurs de θL, θT et θR diminuent avec l’augmentation des diamètres 09/03/2017

59 Effets du diamètre (51≤ Dwire≤ 190 nm) de nanofil de SiC/SiO2 sur V(z)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Effets du diamètre (51≤ Dwire≤ 190 nm) de nanofil de SiC/SiO2 sur V(z) Les périodes, Δ(z), augmentent avec l’augmentation de Dwire, de 51 à 190 nm Selon les spectres FFT, VL augmentent de 5165 m/s à 6946 m/s et VR de 2581 m/s à 3466 m/s avec l’augmentation de Dwire, de 51 à 190 nm © Copyright Showeet.com 09/03/2017

60 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Modélisation des paramètres acoustiques pour différents diamètres de SiC/SiO2 E = D D B = D D G = D D © Copyright Showeet.com (E, G, B) = αD2+βD+C Influence du diamètre de SiC/SiO2 nanofil sur le module de Young (E*) module de cisaillement (G) et module de compressibilité (B) 09/03/2017

61 Influence du diamètre de SiC/SiO2 nanofils sur es vitesses acoustiques
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives © Copyright Showeet.com Influence du diamètre de SiC/SiO2 nanofils sur es vitesses acoustiques 09/03/2017

62 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives © Copyright Showeet.com Influence du diamètre de SiC/SiO2 nanofils sur les impédances acoustiques 09/03/2017

63 Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives A = αD2+βD+C Généralisation Tableau. Valeurs des constantes caractéristiques pour tous les paramètres acoustiques où A représente (E, G, B, VL, VT, VR, θL, θ T, θ R, ZL, ZT, Zsol.) Constantes Caract. Ctes élast. (Gpa) V (m/s) θ (°) Z (Mrayl) E G B VL VT VR θL θT θR ZL ZT Zsol. Α -9.07 -0.001 -0.097 -0.052 -0.05 1.38 2.60 2.57 -3.17 -1.70 -3.23 Β 0.32 0.67 36.64 19.80 18.42 -0.048 -0.09 0.10 0.054 0.01 C 3.55 7.42 10.50 19.60 20.30 7.40 4.20 6.98 © Copyright Showeet.com 09/03/2017

64 Conclusions (Eb)Si = 3.73 - 6.29 exp (-nSi /2.03)
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Conclusions Dans ce travail, nous avons développé des schémas précis et rapides pour le calcul de: 1. L’énergie de liaison des nano-agrégats de Sin et d’autres matériaux: Gen, Snn, Pbn, Cn, Aun, Agn, Cun: (Eb)Si = exp (-nSi /2.03) (Eb)Ge = 3.25 – 5.65 exp (-nGe /1.83) © Copyright Showeet.com (Eb)Sn = 2.56 – 4.35 exp (-nSn /1.88) (Eb)C = 5.71 – exp (-nC /1.28) (Eb) Pb = 2.19 – 3.35 exp (-nPb /2.37) 09/03/2017

65 A = a + b exp(-Dwire/c) A = αD2+βD+C
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives (Eb)Au = 2.39 – 3.86 exp (-nAu /2.24) (Eb)Ag = 1.94 – 4.02 exp (-nAg /1.52) (Eb)Cu = 2.52 – 3.68 exp (-nCu /3.15) 2. Les paramètres élastiques des nano-fils homogènes de ZnO: A = a + b exp(-Dwire/c) 3. Les paramètres élastiques des nano-fils hétérogènes de SiC/SiO2 © Copyright Showeet.com A = αD2+βD+C où A représente (E, G, B, VL, VT, VR, θ L, θ T, θ R, ZL, ZT, Zsol.) 09/03/2017

66 Les avantages de ces formules "paramètre-taille" déduites sont:
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Les avantages de ces formules "paramètre-taille" déduites sont: Elles peuvent servir comme des règles générales gouvernant l’évolution de l’énergie de liaison par atome ainsi que les paramètres élastiques en fonction de la taille. Elles peuvent offrir un compromis satisfaisant entre la précision et les ressources (le temps et l’effort pour effectuer le calcul) © Copyright Showeet.com 09/03/2017

67 Perspectives Ce travail pourrait être poursuivi par :
Contexte général – Problématique (Motivation) – Solution adoptée (R & D) – Conclusions et perspectives Perspectives Ce travail pourrait être poursuivi par : Une étude des petits agrégats de (Sin, Gen, Snn, Pbn, Cn, Aun, Agn, Cun) dopés. Une étude des petits agrégats formés de la quasi-totalité des éléments du tableau périodique (purs et dopés). Une étude des nano-fils formés de la quasi-totalité des éléments du tableau périodique (homogènes et hétérogènes). © Copyright Showeet.com 09/03/2017

68 Merci de votre attention