Approche multi-échelles pour le design des nanomatériaux

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    23-Feb-2016
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Approche multi-échelles pour le design des nanomatériaux. Noël Jakse Laboratoire SIMaP – Grenoble INP. Quelques jalons. En 1959 : fût le premier scientifique à envisager ce qui est maintenant la réalité des nanosciences et nanotechnologies ‘’There’s plenty of space at the bottom’’. - PowerPoint PPT Presentation

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  • Approche multi-chelles pour le design des nanomatriaux Nol JakseLaboratoire SIMaP Grenoble INP

  • Quelques jalonsRichard FeynmanEn 1959 : ft le premier scientifique envisager ce qui est maintenant la ralit des nanosciences et nanotechnologies

    Theres plenty of space at the bottom.

    "Que se passerait-il si nous pouvions dplacer des atomes, un un, et les assembler de la faon voulue?".

    Faire tenir tout le contenu de lencyclopdie Britannica sur une tte dpingle. EN 1989, Don Eigler IBM (Almaden Research Center), a russi utiliser un microscope STM (effet tunel)comme une "pince atomes". Il a ainsi crit le mot IBM avec 35 atomes de Xenon.

  • Synthse mise en formeThorie, modlisation et simulationCaractrisation Visualisationtestsnanosciences- Elaboration destructures lchelle du nanomtre- Approches : Top down Bottom up - Interprtation des caractrisation et images- Prdictions- Design de nanomatriaux

  • chelles et mthodesChaque mthode est spcifique un domaine spatio-temporel Seconde TempsMicroseconde DistanceNanoseconde Picooseconde Femtoseconde 1 Nanomtre 10 Nanomtres 100 Nanomtres 1 MicromtreQuantiqueMolculaireMsoscopiqueMassifElments finisStructure molculaireNanostructuresStructure lectronique

  • Simulations lchelle atomiqueNano-objets ont des proprits remarquables : lectroniques, optiques, thermodynamiques, morphologiques, mcaniques La simulation lchelle atomique fonde sur les premiers principes est indispensable : - pour comprendre les proprits des nanomatriaux - pour accder aux proprits difficilement mesurablesLoi de Moore pour la dynamique molculaireConcurrent Computing Laboratory for Materials Simulations (CCLMS)

  • Approches multi-echelles TailleTempsMonte-Carlo quantique ~ 100 atomesDFT~ 1000 atomesDynamique molculaire ab initio~ 500 atomes~ 10 psDynamique molculaire~ 109 atomes~ 1 nsMonte-Carlo Cintique~ 1 micromtre< 1 hEnjeu : dvelopper des stratgies multi-chelles

    Gros grains (Coarse-Grained ) Intgration des degrs de liberts aux petites chelles : potentiels empiriques

    - Hirarchique ou squentielle Les chelles de temps et despace sont spares : passage de paramtres, MCC Concurrente, hybride ou intgre Les diffrentes chelles sont traites simultanment : DM ab initio, approches multi-grilles

    -

  • ApplicationsProprits du graphne : CNRS Institut NEELPorteur : Laurence MagaudTransport quantique / Proprits optiques : CNRS Institut NEELPorteur : Valerio Olevano : Projet Nanostar (expos prcdent)

    Morphologie et thermo de nanoparticules / Nanofils : INPG SIMaPPorteur : Nol Jakse Interfaces Au/Si : croissance de nanocristaux : CEA SP2MPorteur : Tobias Schulli

  • Nanolectronique : - feuillets conducteurs - temprature ambianteeffet hall quantique anormalpoint quantiques stables

    GraphneStockage de lhydrogne : - le graphaneNovoselov et al, nature 438, 04233 (2005); Science 315, 1379 (2007)Fabrication (2005)- Exfoliation de plans de graphite - Recuit SiC : graphne pitaxiSofo et al. Phys. Rev. B 75, 153401 (2007)

  • Plusieurs plans de C

    un substrat avec des faces polaires (Si/C)Croissance : 3 biplans de SiC pour un plan de graphneGraphne pitaxiProprits des couchesCalcul DFT (VASP) 1300 atomesEnjeu : comprendre les mcanisme de diffusion de Si et de croissance du graphneSimulations hybrides : Monte-Carlo cintique avec chemins de diffusion calculs en DFT

  • Nanoparticules Morphologie des nanoparticules : Evolution des proprits Facteurs qui contrlent la taille et la forme Identifier les tats de base et les formes associes :Algorithmes gntiques Prdire la ractivit Evolution en tempratureEtats de base de CuAu (38) (Coll. Pr Lai : Taiwan)Mthode Agorithmes gntique + saut de bassin Potentiels Tight-Binding 12 Cu 17 Cu 22 Cu

  • Nanoparticules Thermodynamique des petits systmes Effets anharmoniques dynamique molculaire en f(T)

    Al12-Mn T = 300 K

  • Nanofils : proprits mcaniquesDformation uniaxiale dun nanofil de Ni Potentiel MEAM 45000 atomes cfc orientation (1,0,0) taux de dformation 2. 109 s-1

    Taux de dformation 1010 s-1 amorphisation

    Cf. : Lin et Pen, Nanotech 18, 395705 (2007)

  • Interface Au/Si Approche atomistique : Potentiels MEAM + Dynamique Molculaire Comprhension de la croissance contrle de nanofils Formation rapide de siliciures accroissement de la diffusion de Si dans Au avec la temprature Enjeux de la modlisation : modliser la croissance partir dinformations lchelle atomique Kuo, Clancy, surface Science 551, 39 (2004)T= 0 K T=1023 KT= 423 KT= 573 KT= 723 KT= 873 KRseau de nanofils

  • ConclusionsBUT ULTIME:

    Design des nanomatriaux bas sur les premiers principes

    Mais : qui nest pas une approche combinatoire

    Approches multi-chelles ncessaires

    Les nanomatriaux couvrent plusieurs chelles de description simultanes Mthodes une chelle donne existent. Mthodes pour coupler efficacement les chelles sont encore trop ponctuelles et limites. Une mthode conceptuelle existe base sur une analogie multi-grille mais il reste encore de nombreuses difficults

  • Ncessit des mthodes quantiques dordre N Calculs de DFT : estimation des temps pour des CPU 100 Mflops10000 atomes, simple relaxation (100 pas)

    Les grands systmes ncessitent un grand nombre de relaxations simples : Mthodes O(N) efficace sont absolument indispensables !

    Mthode O(N) dpendant du temps pour 10000 atomes

    Mthodes multi-chelles pour acclrer le temps sont absolument indispensables !

  • Ncessit davoir une quipe pluridisciplinaire: PROJET MUSCADE RTRA 2009 : CIMENT-INRIA Modlisation et simulation lchelle ptaflop sur le design des nanomatriaux :

    Recherche transdisciplinaire : physiciens, mathmaticiens, informaticiens Focalisation sur des axes de recherches bien dfinis Couplage avec lexprience

    Dveloppements algorithmiques et conceptuels reprsentent une activit de recherche de longue haleine.