Approche multi-

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Approche multi-échelles pour le design des
nanomatériaux

• Noël Jakse
• Laboratoire SIMaP Grenoble INP

2
Quelques jalons
En 1959 fût le premier scientifique à envisager
ce qui est maintenant la réalité des
nanosciences et nanotechnologies Theres
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
lencyclopédie Britannica sur une tête
dépingle.
Richard Feynman
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.
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Synthèse mise en forme
Théorie, modélisation et simulation
- Elaboration de structures à léchelle du
nanomètre - Approches Top down Bottom up
- Interprétation des caractérisation et images -
Prédictions - Design de nanomatériaux
nanosciences
Caractérisation Visualisation tests
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Échelles et méthodes
Chaque méthode est spécifique à un domaine
spatio-temporel
Temps
Eléments finis
Seconde
Mésoscopique
Massif
Microseconde
Moléculaire
Nanostructures
Nanoseconde
Quantique
Structure moléculaire
Picooseconde
Structure électronique
Femtoseconde
Distance
1 Nanomètre
10 Nanomètres
100 Nanomètres
1 Micromètre
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Simulations à léchelle atomique
Nano-objets ont des propriétés remarquables
électroniques, optiques, thermodynamiques,
morphologiques, mécaniques La simulation à
léchelle atomique fondée sur les premiers
principes est indispensable - pour
comprendre les propriétés des nanomatériaux
- pour accéder aux propriétés difficilement
mesurables
Loi de Moore pour la dynamique moléculaire
Concurrent Computing Laboratory for Materials
Simulations (CCLMS)
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Approches multi-echelles
Taille Temps Monte-Carlo quantique
100 atomes DFT 1000 atomes Dynamique
moléculaire ab initio 500 atomes 10
ps Dynamique moléculaire 109 atomes 1
ns Monte-Carlo Cinétique 1 micromètre lt 1 h

• Enjeu développer des stratégies multi-échelles
• Gros grains ( Coarse-Grained )
• Intégration des degrés de libertés aux
  petites échelles potentiels empiriques
• - Hiérarchique ou séquentielle
• Les échelles de temps et despace sont
  séparées passage de paramètres,
  MCC
• Concurrente, hybride ou intégrée
• Les différentes échelles sont traitées
  simultanément DM ab initio,
• 
  
  approches multi-grilles
• -

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Applications
Transport quantique / Propriétés optiques CNRS
Institut NEEL Porteur Valerio Olevano
Projet Nanostar (exposé précédent)
Propriétés du graphène CNRS Institut
NEEL Porteur Laurence Magaud
Morphologie et thermo de nanoparticules /
Nanofils INPG SIMaP Porteur Noël Jakse
Interfaces Au/Si croissance de nanocristaux
CEA SP2M Porteur Tobias Schulli
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Graphène
Fabrication (2005) - Exfoliation de plans de
graphite - Recuit SiC graphène épitaxié
Nanoélectronique - feuillets conducteurs -
à température ambiante effet hall quantique
anormal point quantiques stables
Stockage de lhydrogène - le graphane
Novoselov et al, nature 438, 04233 (2005)
Science 315, 1379 (2007)
Sofo et al. Phys. Rev. B 75, 153401 (2007)
9
Graphène épitaxié
Propriétés des couches Calcul DFT (VASP) à 1300
atomes
Plusieurs plans de C un substrat avec des
faces polaires (Si/C)
Croissance 3 biplans de SiC pour un plan de
graphène
Enjeu comprendre les mécanisme de diffusion de
Si et de croissance du graphène Simulations
hybrides Monte-Carlo cinétique avec chemins de
diffusion calculés en DFT
10
Nanoparticules

• 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

Etats de base de CuAu (38) (Coll. Pr Lai
Taiwan) Méthode Agorithmes génétique saut de
bassin Potentiels Tight-Binding
22 Cu
17 Cu
12 Cu
11
Nanoparticules

• Thermodynamique des petits systèmes

• Effets anharmoniques dynamique
  moléculaire en f(T)

Al12-Mn
T 300 K
12
Nanofils propriétés mécaniques

• Déformation uniaxiale
• dun nanofil de Ni
• Potentiel MEAM
• 45000 atomes
• cfc orientation (1,0,0)
• taux de déformation 2. 109 s-1
• Taux de déformation lt1010 s-1
• plans de glissement
• macles
• Taux de déformations gt 1010 s-1
• amorphisation

Cf. Lin et Pen, Nanotech 18, 395705 (2007)
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Interface Au/Si

• 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 dinformations à léchelle
  atomique

T 0 K
T 423 K
Réseau de nanofils
T 573 K
T 723 K
T 873 K
T1023 K
Kuo, Clancy, surface Science 551, 39 (2004)
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Conclusions

• BUT ULTIME
• Design des nanomatériaux basé sur les premiers
  principes
• Mais qui nest 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

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Nécessité des méthodes quantiques dordre N

• Calculs de DFT
• estimation des temps pour des CPU à 100 Mflops
• 10000 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 !

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Nécessité davoir une équipe pluridisciplinaire
PROJET MUSCADE RTRA 2009 CIMENT-INRIA

• Modélisation et simulation à léchelle pétaflop
  sur le design des nanomatériaux
• Recherche transdisciplinaire physiciens,
  mathématiciens,
• informaticiens
• Focalisation sur des axes de recherches bien
  définis
• Couplage avec lexpérience
• Développements algorithmiques et conceptuels
  représentent une activité de recherche de longue
  haleine.