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Mercredi 3 octobre 2018

14h15 - Bibliothèque de l’ICMN

Simulations des systèmes nanométriques : modèles, structure et dynamique.

G. D. Förster, Laboratoire d’Etude des Microstructures, ONERA/CNRS (UMR104)

En utilisant des simulations atomistiques, nous abordons un certain nombre de problèmes physiques à différentes échelles de temps et d’espace : nous caractérisons en particulier la structure des nanoparticules métalliques, la géométrie et la stabilité du graphène épitaxié et la dynamique du processus d’ablation laser. Pour ce faire, nous utilisons plusieurs modèles adaptés aux différentes questions : une description de liaison forte (TB), un potentiel d’ordre de liaison (BOP) et un modèle empirique basé sur l’embedded atom method (EAM). Nous étendons ces modèles pour pouvoir les appliquer aux problèmes spécifiques.

Le graphène épitaxié sur métal forme des superstructures de moiré en raison de constantes de réseau incommensurables favorisant l’auto-assemblage de nanoparticules. Afin d’étudier les propriétés dynamiques de tels systèmes de taille raisonnable, nous utilisons un modèle BOP semi-empirique [1] que nous combinons avec des forces de dispersion de London à longue portée qui affectent considérablement le comportement des adsorbats à cause de la nature semi-infinie du substrat. Grâce à des relaxations locales, nous étudions l’influence des forces de dispersion sur la structure et la stabilité des nanoparticules sur le substrat [2]. A température finie, les simulations de dynamique moléculaire (MD) éclaircissaient le mécanisme de diffusion de surface des adsorbats. En outre, l’analyse des propriétés vibrationnelles des différents sous-systèmes permet de mieux comprendre les anharmonicités [3]. Les résultats expérimentaux disponibles valident nos résultats de calcul.

Dans le cadre de notre deuxième sujet physique, l’ablation laser, nous étudions comment les impulsions doubles de laser peuvent affecter les mécanismes impliqués. Pour cela nous utilisons des simulations basées sur un modèle à deux températures, ionique et électronique. Le modèle couple une description du continuum pour les électrons de la bande de conduction avec une approche classique de la MD pour les ions basé sur un potentiel de type EAM [4]. Si le délai entre les deux impulsions laser est de l’ordre de quelques picosecondes, les ondes de compression et de raréfaction générées par les deux impulsions se compensent. Ce qui entraîne une réduction de la pression maximale qui traverse la cible.

En conséquence, la profondeur de l’ablation ainsi que les dommages infligés à la cible diminuent [5]. Dans une autre série de simulation, nous étudions l’influence de l’oxygène dans l’atmosphère sur la structure des nanoparticules générées lors du processus d’ablation au laser. Les résultats pour une teneur en oxygène croissante révèlent des effets remarquables sur la morphologie des particules générées, notamment une diminution du volume des particules, mais une augmentation marquée de la rugosité de leur surface. Nous basons ces simulations sur un potentiel réactif et comparons les résultats à des données expérimentales obtenues par diffusion de rayons X aux petits angles [6].

Bibliographie

[1] D. W. Brenner, Phys. Rev. B 42, 9458 (1990).

[2] G. D. Förster et al., Phys. Rev. B 91, 245433 (2015).

[3] G. D. Förster et al., Phys. Rev. B 92, 165425 (2015).

[4] R. R. Zope et Y. Mishin,Phys. Rev. B 68, 024102 (2003).

[5] G. D. Förster et L. J. Lewis, Phys. Rev. B 97, 224301 (2018).

[6] G. D. Förster et al., Phys. Rev. Lett. 115, 246101 (2015).