Approche multi-échelles pour le design des nanomatériaux

Noël JakseLaboratoire SIMaP – Grenoble INP

Quelques jalonsQuelques jalons

Richard FeynmanRichard Feynman

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’’.

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

Faire tenir tout le contenu de l’encyclopédie Britannica sur une tête d’épingle.

EN 1989, Don Eigler à IBM (Almaden Research Center), a réussi à utiliser un microscope STM (effet tunel)comme une "pince à atomes". Il a ainsi écrit le mot IBM avec 35 atomes de Xenon.

Synthèse Synthèse mise en formemise en forme

Théorie, modélisation Théorie, modélisation et simulationet simulation

Caractérisation Caractérisation VisualisationVisualisation

teststests

nanosciencesnanosciences

- Elaboration de- Elaboration destructures à structures à l’échelle du l’échelle du nanomètrenanomètre- Approches :- Approches :« Top down »« Top down »« Bottom up »« Bottom up »

- Interprétation des - Interprétation des caractérisation et caractérisation et imagesimages- Prédictions- Prédictions- Design de - Design de nanomatériauxnanomatériaux

Échelles et méthodesÉchelles et méthodesChaque méthode est spécifique à un domaine spatio-temporel

Seconde

Temps

Microseconde

Distance

Nanoseconde

Picooseconde

Femtoseconde

1 Nanomètre 10 Nanomètres 100 Nanomètres 1 Micromètre

Quantique

Moléculaire

MésoscopiqueMassif

Eléments finis

Structure moléculaire

Nanostructures

Structure électronique

Nanomatériaux : approches multi-échellesStructure éléctronique Propriétés et design des nanomatériaux

Simulations à l’échelle atomiqueSimulations à l’échelle atomiqueNano-objets ont des propriétés remarquables :Nano-objets ont des propriétés remarquables : électroniques, optiques, thermodynamiques, morphologiques, mécaniquesélectroniques, optiques, thermodynamiques, morphologiques, mécaniques La simulation à l’échelle atomique fondée sur les premiers principes est La simulation à l’échelle atomique fondée sur les premiers principes est indispensable :indispensable : - - pour comprendre les propriétés des nanomatériauxpour comprendre les propriétés des nanomatériaux - - pour accéder aux propriétés difficilement mesurablespour accéder aux propriétés difficilement mesurables

Loi de Moore pour la dynamique moléculaireLoi de Moore pour la dynamique moléculaire

Concurrent Computing Laboratory for Materials Simulations (CCLMS)

Approches multi-echellesApproches multi-echelles

TailleTaille TempsTempsMonte-Carlo quantique Monte-Carlo quantique ~ 100 atomes~ 100 atomesDFTDFT ~ 1000 atomes~ 1000 atomesDynamique moléculaire ab initioDynamique moléculaire ab initio ~ 500 atomes~ 500 atomes ~ 10 ps~ 10 psDynamique moléculaireDynamique moléculaire ~ 10~ 1099 atomes atomes ~ 1 ns~ 1 nsMonte-Carlo CinétiqueMonte-Carlo Cinétique ~ 1 micromètre~ 1 micromètre < 1 h< 1 h

Enjeu : développer des stratégies multi-échellesEnjeu : développer des stratégies multi-échelles

- Gros grains (« Coarse-Grained »)Gros grains (« Coarse-Grained ») Intégration des degrés de libertés aux petites échelles : potentiels empiriquesIntégration des degrés de libertés aux petites échelles : potentiels empiriques

- Hiérarchique ou séquentielle- Hiérarchique ou séquentielle Les échelles de temps et d’espace sont séparées : passage de paramètres, Les échelles de temps et d’espace sont séparées : passage de paramètres,

MCC MCC- Concurrente, hybride ou intégréeConcurrente, hybride ou intégrée Les différentes échelles sont traitées simultanément : DM ab initio, Les différentes échelles sont traitées simultanément : DM ab initio, approches multi-grillesapproches multi-grilles

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ApplicationsApplications

Propriétés du graphène : CNRS – Institut NEELPorteur : Laurence Magaud

Transport quantique / Propriétés optiques : CNRS – Institut NEELPorteur : Valerio Olevano : Projet Nanostar (exposé précédent)

Morphologie et thermo de nanoparticules / Nanofils : INPG – SIMaPPorteur : Noël Jakse

Interfaces Au/Si : croissance de nanocristaux : CEA – SP2MPorteur : Tobias Schulli

Nanoélectronique : - feuillets conducteurs - à température ambiante

effet hall quantique anormalpoint quantiques stables

GraphèneGraphène

Stockage de l’hydrogène : - le graphane

Novoselov et al, nature 438, 04233 (2005); Science 315, 1379 (2007)

Fabrication (2005)- Exfoliation de plans de graphite - Recuit SiC : graphène épitaxié

Sofo et al. Phys. Rev. B 75, 153401 (2007)

SiC

CPlusieurs plans de C

un substrat avec des faces polaires (Si/C) F.Varchon et al., Phys. Rev. Lett. 99, 126805 (2007)

P.Mallet et al., Phys Rev B74, 041403 (R) (2007)F.Varchon et al, Phys. Rev. B (2008)J. Hass et al. PRL100, 125504 (2008)

Croissance : 3 biplans de SiC pour un plan de graphène

Graphène épitaxiéGraphène épitaxié

Propriétés des couchesCalcul DFT (VASP) à 1300 atomes

Enjeu : comprendre les mécanisme de diffusion de Si et de croissance du graphèneSimulations hybrides : Monte-Carlo cinétique avec chemins de diffusion calculés en DFT

Image STM (0.2 V, 300 K)

6x66x6

6x6

6x6

Calcul ab initio

Plan 1

Plan 2

• Morphologie des nanoparticules :• Evolution des propriétés• Facteurs qui contrôlent la taille

et la forme• Identifier les états de base et les

formes associées :Algorithmes génétiques

• Prédire la réactivité• Evolution en température

NanoparticulesNanoparticules

Taille

Forme

Etats de base de CuAu (38) (Coll. Pr Lai : Taiwan)Méthode Agorithmes génétique + saut de bassin Potentiels Tight-Binding

12 Cu 17 Cu 22 Cu

• Thermodynamique des petits systèmes

• Effets anharmoniques dynamique moléculaire en f(T)

0 100 200 300 400 500

g()

rad.fs-1

Al12-Mn T = 300 K

NanoparticulesNanoparticules

Déformation uniaxiale d’un “nanofil” de Ni

- Potentiel MEAM- 45000 atomes- cfc orientation (1,0,0)- taux de déformation 2. 109 s-1

-Taux de déformation <1010 s-1

- plans de glissement- macles

-Taux de déformations > 1010 s-1

- amorphisation

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

Nanofils : propriétés mécaniquesNanofils : propriétés mécaniques

• Approche atomistique : Potentiels MEAM + Dynamique Moléculaire Compréhension de la croissance contrôlée de nanofils

• Formation rapide de siliciures • accroissement de la diffusion de Si dans Au avec la température

Enjeux de la modélisation : modéliser la croissance à partir d’informations à l’échelle atomique

Interface Au/SiInterface Au/Si

Kuo, Clancy, surface Science 551, 39 (2004)

T= 0 K

T=1023 K

T= 423 K

T= 573 K T= 723 K

T= 873 K

Réseau de nanofils

BUT ULTIME:

• Design des nanomatériaux basé sur les premiers principes

• Mais : qui n’est pas une approche combinatoire

• Approches multi-échelles nécessaires

• Les nanomatériaux couvrent plusieurs échelles de description simultanées• Méthodes à une échelle donnée existent.• Méthodes pour coupler efficacement les échelles sont encore trop ponctuelles et limitées.• Une méthode conceptuelle existe basée sur une analogie multi-grille mais il reste encore de nombreuses difficultés

ConclusionsConclusions

Nécessité des méthodes quantiques d’ordre NNécessité des méthodes quantiques d’ordre N • Calculs de DFT :

estimation des temps pour des CPU à 100 Mflops10000 atomes, simple relaxation (100 pas)

Les grands systèmes nécessitent un grand nombre de relaxations simples : Méthodes O(N) efficace sont absolument indispensables !

• Méthode O(N) dépendant du temps pour 10000 atomes

Méthodes multi-échelles pour accélérer le temps sont absolument indispensables !

Nécessité d’avoir une équipe pluridisciplinaire: PROJET MUSCADE

RTRA 2009 : CIMENT-INRIA

• Modélisation et simulation à l’échelle pétaflop sur le design des nanomatériaux :

• Recherche transdisciplinaire : physiciens, mathématiciens, informaticiens

• Focalisation sur des axes de recherches bien définis• Couplage avec l’expérience

• Développements algorithmiques et conceptuels représentent une activité de recherche de longue haleine.