Archive 16 November 2023

How accurately can we simulate and understand the transformation mechanisms of matter ?

By in Seminar

Fabio Pietrucci, Sorbonne Université, IMPMC, Paris

fabio.pietrucci@sorbonne-universite.fr

Molecular dynamics simulations can complement experiments by providing detailed, atomic- scale information about transition mechanisms between different states of materials, including nanostructures, solids, solutions, biomolecules etc. If interatomic forces are accurately described, in principle, transition states (difficult to capture in experiments due to their short lifetime) can be identified, barriers and rates can be quantitatively estimated. This kind of information can be useful to characterize the behavior of materials in real conditions of temperature and pressure, and to make sense of synthesis or degradation processes.

However, a major hurdle consists in the long characteristic timescale of many transformation processes, exceeding by far what can be simulated today (typically, from nanoseconds to microseconds). I will present some methods developed in my group, that tackle the latter challenge exploiting two strategies. The first consists in applying external forces on some flexible order parameters, specifically designed to capture and accelerate changes in the topology of the atomic network during a transformation. The second consists in directly exploring transition states and mechanisms using “transition path sampling” techniques: the resulting trajectories, projected on an order parameter, can be effectively modeled by Langevin equations, that in turn allow (based on a recently demonstrated variational principle) to optimize in a unified way the order parameter definition, the free-energy landscape and the kinetic rate. I will discuss applications to problems ranging from structural changes in core-shell nanoparticles, to crystal nucleation, to protein-protein interaction.

References

F. Pietrucci, Rev. Phys. 2, 32 (2017).
S. Pipolo, M. Salanne, G. Ferlat, S. Klotz, A.M. Saitta, F. Pietrucci, Phys. Rev. Lett. 119, 245701 (2017). L. Mouaffac, K. Palacio-Rodriguez, F. Pietrucci, J. Chem. Theory Comput. 19, 5701 (2023).

Synthèse par CVD de films de nitrure de bore aux propriétés optimisées pour dispositifs en optoélectronique

By in Phd Defence

Résumé

Dans la famille des matériaux bidimensionnels (2D), le nitrure de bore a été identifié comme un matériau stratégique. Ce semi-conducteur à grand gap (>6eV), atomiquement plan, résistant chimiquement et thermiquement, peut jouer plusieurs rôles dans les hétérostructures de matériaux 2D : substrat de graphène pour préserver la mobilité exceptionnelle de ses porteurs de charge ou couche encapsulante pour protéger d’autres matériaux 2D sensibles à leur environnement ou exalter leurs propriétés. Des démonstrateurs de principe ont été réalisés avec des monocristaux de BN. Les dimensions latérales et l’homogénéité en épaisseur du BN sont limitées par la dimension initiale millimétriques des cristaux et leur mise en oeuvre par exfoliation mécanique. Cette technique est donc difficilement industrialisable. Il est nécessaire de développer des synthèses de films de BN de dimensions, structure et qualité contrôlées pour permettre une montée en échelle. Dans cette thèse en partenariat avec la PME Annealsys, nous avons choisi de développer la synthèse de films de BN sur nickel par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD). Dans un premier temps, nous avons transposé sur le bâti de l’équipementier Annealsys le procédé de synthèse de BN sur des substrats de nickel polycristallin à partir de borazine déjà maitrisé par l’équipe. Nous avons confirmé que la morphologie et la qualité du BN dépend de l’orientation cristallographique du nickel sous-jacent et que l’orientation (111) du nickel est la plus favorable pour la synthèse de film continu de BN. Nous avons donc ensuite travaillé avec des substrats monocristallins de Ni(111) /YSZ/Si(111). Nous avons porté une attention particulière à la préparation de ces substrats spécifiques et développé un traitement de stabilisation in-situ dans le bâti de dépôt, compatible avec un procédé industriel. La structure et la qualité des films de BN synthétisés, i.e. épaisseur, rugosité, séquence d’empilement, cristallinité et taille de domaines, ont été caractérisées de l’échelle atomique à l’échelle millimétrique par un panel de techniques de microscopies et spectroscopies (AFM, MEB, Raman, MET. . .). Nous avons mis en place une méthodologie de caractérisation statistique à l’échelle centimétrique, indispensable à la vérification de l’homogénéité des films de BN, prérequis pour la fabrication de dispositifs performants. Nous avons fait varier des paramètres de synthèse clés tels que la quantité de gaz précurseur ou l’épaisseur du substrat de nickel et étudié leur impact sur les films de BN. Les résultats sont discutés d’un point de vue mécanisme de croissance.

 

Candidate:
Laure Tailpied

Jury:
Pr. Luc Imhoff – Université de Bourogne- Rapporteur
Dr. Laëticia MARTY – Université Grenoble Alpes – Rapporteur
Dr. Berangère Toury – Université Lyon 1 – Examinatrice
Pr. Franck Vidal – Sorbonne Université – Examinateur
Dr. Jean-Manuel Decams – Annealsys – Invité
Dr. Amandine Andrieux-Ledier – ONERA – Encadrante
Dr. Annick Loiseau – ONERA – Directrice de thèse

Mercredi 25 avril 2023 à 14h00
Salle Contensou, ONERA, 29 Avenue de la Division Leclerc,92320, Chatillôn

Cristallographie des bicouches homophases désorientées par rotation-translation

By in Seminar

Denis Gratias et Marianne Quiquandon
CNRS-UMR 8247 IRCP, Chimie-ParisTech PSL, Paris

On se propose de discuter la symétrie résultant de la superposition de deux couches monoatomiques cristallines identiques désorientées l’une par rapport à l’autre d’une rotation-translation (α|τ).
Un réseau de coïncidence apparaît —défini par le groupe intersection des groupes de translation des réseaux des monocouches— pour un ensemble dense dénombrable de valeurs de la rotation α, qu’on discutera en toute généralité pour les quatre types de réseaux bidimensionnels, oblique, rectangle, carré et hexagonal. Ces valeurs singulières d’angle α associées aux normes σ des vecteurs unitaires du réseau de coïncidence se répartissent dans le plan (α, σ) selon des branches indexées par des suites de Farey et dont on discutera les propriétés.
Pour une rotation donnée, les symétries spatiales de ces bicouches se répartissent en un
petit nombre seulement de groupes selon la valeur de la translation τ. Ainsi les bicouches de
graphène à réseau de coïncidence ne peuvent présenter que 6 types de groupes d’espace quelles que soient la rotation a de coïncidence et la translation τ.
Dans le cas générique d’absence de réseau de coïncidence, la bicouche présente une
symétrie quasipériodique de rang 4 au plus qu’on peut décrire par une méthode de coupe à partir d’un espace de dimension 4. On montrera l’importance fondamentale du réseau-0 (0-lattice) pour décrire les symétries des figures de moiré de ces édifices.

Virtual material design

By in Seminar

Maxime Moreaud

IFPEN, Solaize

Since 2017, IFPEN has fully entered the race for accelerated design of new materials with models creating links between synthesis and effective properties. Its AI and materials teams propose new tools for the numerical generation and characterization of materials microstructures.  
This approach realistically considers the microstructure to capture morphological and topological details at scales of interest. Numerical models link to synthesis or processing parameters, and estimate textural and usage properties. In this talk, we will discuss the general ideas of this approach, examples of multi-scale microstructures, and some recent work on numerical textural characterizations such as tortuosity and deep learning accelerated physisorption simulation.

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Rydberg atoms: a versatile tool for quantum technologies

By in Seminar

Sylvain Schwartz

Laboratoire QTECH (ONERA)

Rydberg atoms are by definition atoms which have been excited to a state with a large principal quantum number, resulting in exaggerated properties such as a large atomic size, a long lifetime compared to other excited states and large matrix elements for the dipole operator. In practice, dipole-dipole interactions between Rydberg atoms are at the heart of quantum simulations, where they are used to create entangled atomic states. But the large dipole of Rydberg atoms can also result in a strong coupling with external electromagnetic fields, making these atoms good candidates to be used as very sensitive probes of electromagnetic environment in the GHz to THz range. I this talk, I will give a brief overview of the state of the art of quantum simulation and quantum metrology with Rydberg atoms, and present the ongoing project that we have in the QTech lab at ONERA about quantum metrology with cold Rydberg atoms trapped in optical potentials. Possible applications include electromagnetic intelligence, THz imaging and scientific applications such as the calibration of black-body shifts in state-of-the-art optical clocks (in collaboration with SYRTE and laboratoire Aimé Cotton).

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