Archive dans 29 octobre 2019

Développement d’un code de Monte Carlo dynamique pour les calculs de diffusion atomique

Les processus de diffusion dans les solides sont prépondérants pour la cinétique de nombreux changements microstructuraux se produisant pendant la préparation, le traitement et le traitement thermique des matériaux. Des exemples typiques sont la nucléation de nouvelles phases, les transformations de phase par diffusion, la précipitation d’une seconde phase, la recristallisation, le fluage à haute température et l’oxydation à haute température. Pour atteindre une compréhension profonde de la diffusion dans les solides, il est nécessaire d’avoir des informations sur la position des atomes et sur leur déplacement. Les mécanismes atomiques de diffusion dans les solides cristallins sont étroitement liés aux défauts. Les défauts ponctuels tels que les lacunes ou les interstitiels sont les défauts les plus simples et facilitent souvent la diffusion dans les cristaux. Les méthodes ab initio telles que la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) peuvent fournir des informations fondamentales, telles que les positions stables des atomes dans un réseau cristallin et leurs vitesses de saut entre deux sites voisins. Cependant, il n’est pas anodin d’obtenir des coefficients de diffusion à partir de ces propriétés fondamentales car, dans les cristaux solides complexes, il existe généralement divers défauts ponctuels (lacunes et positions interstitielles) et, par conséquent, plusieurs chemins de diffusion sont possibles pour l’atome diffusant. Les solutions analytiques des problèmes de diffusion multi-états sont généralement complexes. Une bonne alternative est de recourir à la méthode Monte Carlo cinétique (KMC: Kinetic Mote-Carlo), une méthode de Monte Carlo particulière utilisée pour les processus avec des vitesses connues telles que la migration des atomes. Il consiste à cartographier N événements possibles pouvant se produire à partir d’un état donné. Chaque événement est défini par la fréquence de saut, le déplacement et la fonction cumulative de la fréquence de saut: toutes ces paramètres nécessaire à la simulation KMC peuvent être obtenues à partir des calculs DFT.

L’objectif principal de ce projet est de développer un code de Monte Carlo cinétique pour étudier la diffusion des atomes dans les cristaux. Le code recevra en tant que données d’entrée les résultats des calculs DFT, qui seront effectués avec le code VASP. Les premières applications porteront sur la diffusion d’atomes interstitiels (B, O, N, C) dans des alliages Ti-Al. Le code sera validé par comparaison avec la solution analytique des réseaux cristallins les plus simples (comme le composé TiAl tétragonal), puis appliqué à l’étude de la diffusion dans des géométries plus complexes (comme le composé Ti3Al hexagonal).

Type d’emploi : Stage (4-6 mois) 

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Physique de la matière condensée, crystallographie, development de code

Contacts: Gilles Hug

Propriétés électroniques de couches fines nanostructurées

Le contrôle à l’échelle nanométrique de la composition et de la morphologie des matériaux a permis l’émergence de nouvelles propriétés structurales, électroniques et chimiques, qui sont à la base de nombreux progrès technologiques récents. Parmi les nanostructures, les matériaux 2D forment une classe constituée par des matériaux cristallisant en couches d’épaisseur atomique. Depuis l’envol du graphène dans les années 2000, la famille des matériaux 2D s’est enrichie de nouveaux éléments comme le nitrure de bore hexagonal (hBN) ou le phosphore noir (BP).

En vertu de leur infime épaisseur, les matériaux 2D présentent souvent des propriétés électroniques très différentes de celles de leur homologues massifs. En outre, celles-ci sont fortement influencées par l’interaction avec l’environnement proche, par exemple, par des modifications du support du matériau 2D ou de son épaisseur. Les hétérostructures de van der Waals se basent sur ce principe. Elles sont formées en empilant des couches de différents matériaux 2D, permettant ainsi de combiner plusieurs propriétés dans un même système, et de les moduler de façon contrôlée afin d’atteindre des objectifs technologiques ou de recherche fondamentale.

Dans ce contexte, la famille d’hétérostructures considérée comportera l’empilement de feuilles de hBN et/ou de BP. Pour étudier d’un point de vue théorique ces systèmes, nous allons élaborer une approche mixte, qui combine des développements analytiques et numériques de type liaisons fortes à des simulations ab-initio. Ces dernières seront faites sur des systèmes simples de référence, afin d’établir une base quantitative pour la paramétrisation des modèles liaisons fortes. Ainsi, l’étude de grands systèmes tels que des hétérostructures réalistes deviendra possible. Plus précisément, il s’agira d’étudier l’effet de l’environnement (substrat, empilement…) sur les propriétés électroniques et optiques d’hétérostructures de van der Waals à base de hBN et BP.

Une autre originalité de ce travail consistera à coupler l’étude théorique à différentes techniques expérimentales, grâce notamment à un riche réseau de collaborations.