Approche Numérique des Matériaux

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1 Approche Numérique des Matériaux
1er Congrès Nord-Sud de Physique Oujda 2007 Approche Numérique des Matériaux 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 atomes molécules nanostructures massif 1 10 100
1023 Taille système  atomes molécules nanostructures massif (macroscopique) (microscopique) Observations expérimentales: •Propriétés mécaniques •Propriétés électriques •Propriétés optiques Approche théorique (physique quantique) Interprétation Prédiction

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

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5 Calculs de la structure électronique
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 a r  Approximations à plusieurs niveaux Atome = { ion + z électrons } électrons de valence ion  Calculs de la structure électronique

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

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

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

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

14 4 Fe ML & 3 Ge ML AF Configuration F 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 de FePb4Sb6S14

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

21 Configurations magnétiques calculées
Configuration F Configuration AF

22 on sait calculer l’énergie d’échange corrélation :
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 6 Fe ML & 5 Ge ML AF Configuration F Configuration

25 2 Fe ML & 3 Ge ML t = -5 % AF F

26 2 Fe ML & 3 Ge ML t = +5 % AF F

27 2Fe ML & 3 Ge ML t= -10% F 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

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31 Les deux configurations avec Na

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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…