Etat Solide, Structure et Propriétés

Participants: M. Badawi (MCFHC HDR), B. Berche (PU), J-Y Fortin (DR), S. Fumeron (MCF HDR), A. Genoni (CR), S. Lebègue (DR), F. Pascale (IR UL), M. Pastore (CR), D. Rocca (MCF HDR)

L’axe Etat solide : structure et propriétés vise à fédérer les activités du laboratoire autour de la description et de la compréhension de la matière condensée en phase solide.
Le regroupement de compétences diverses nous permet d’envisager l’émergence de projets originaux, tant au niveau des développements théoriques et méthodologiques que des applications.

Publications récentes:

Self-Consistent Potential Correction for Charged Periodic Systems
Mauricio Chagas da Silva, Michael Lorke, Bálint Aradi, Meisam Farzalipour Tabriz, Thomas Frauenheim, Angel Rubio, Dario Rocca, and Peter Deák
Physical Reviews Letters (2021) 126, 076401

Structure and Energetics of Dye-Sensitized NiO Interfaces in Water from Ab Initio MD and Large-Scale GW Calculations
Alekos Segalina, Sébastien Lebègue, Dario Rocca, Simone Piccinin, and Mariachiara Pastore
Journal of Chemical Theory and Computation (2021) 17, 5225–5238

Biofuel purification: Coupling experimental and theoretical investigations for efficient separation of phenol from aromatics by zeolites
Ibrahim Khalil, Hicham Jabraoui, Sébastien Lebègue, Won June Kim, Luis-Jacobo Aguilera, Karine Thomas, Françoise Maugé, Michael Badawi
Chemical Engineering Journal (2020) 402, 126264

Adsorption mechanisms of fatty acids on fluorite unraveled by infrared spectroscopy and first-principles calculations
Yann Foucaud, Juliette Lainé, Lev O Filippov, Odile Barrès, Won June Kim, Inna V Filippova, Mariachiara Pastore, Sébastien Lebègue, Michael Badawi
Journal of Colloid and Interface Science (2021) 583, 692-703

Diffusion in the presence of a chiral topological defect
Andy Manapany, Leila Moueddene, Bertrand Berche, Sébastien Fumeron
The European Physical Journal B (2022) 95, 118

Thèmes scientifiques :

Transport en présence de défauts topologiques :

Dans la matière condensée, les transitions de phase sont généralement associées à des brisures de symétrie.
Selon le schéma de brisure, différents types de défauts peuvent apparaître dans un cristal:

  • des défauts ponctuels (lacunes, défauts d’antiphase…)
  • des défauts linéaires (dislocations, disinclinaisons…)
  • des défauts surfaciques (joints de grain…)

Modèles analogues et géométrie différentielle :

Il existe une équivalence formelle entre la théorie de l’élasticité et la gravitation.
Dans la limite continue, un cristal présentant un défaut peut être décrit comme une variété de Riemann-Cartan.
Le défaut se comporte alors comme une singularité de courbure (cas des disinclinaisons) ou de torsion (cas des dislocations) : c’est le coeur des modèles de gravité analogue.
L’étude du transport en présence de défauts revient alors à étudier la dynamique (classique ou quantique) de particules (photons, électrons…) dans une géométrie non euclidienne, décrite par un tenseur métrique effectif, et à y déterminer par exemple :

  • les géodésiques (trajectoires suivies par des particules classiques)
  • les états stationnaires (problème quantique)
  • les couplages entre le spin et la géométrie (torsion)

    Méthodes ab initio pour la corrélation électronique

    Dans le cadre du théoreme de fluctuation-dissipation, l’énergie de correlation s’écrit :

    Approximations pour la fonction de réponse Πα :

    • Approximation de la phase aleatoire (RPA)

    Des méthodes allant au-delà de la RPA sont obtenues en approximant le kernel d’échange:

    • Adiabatic Connection Second Order Screened Exchange (AC-SOSEX)
    • Electron-Hole Time-Dependent Hartree-Fock (eh-TDHF)

    Ces formalismes permettent de réaliser des calculs d’une grande précision (proche de CCSD(T) pour des dimères et des énergies de réactions).

      Applications envisagées:

      • Zéolithes.
      • Structure des cristaux moléculaires.
      • Matériaux lamellaires : graphite etc..
      • Etude des états excités dans les cellules solaires à colorant.

        Matériaux bidimensionnels

        Les matériaux bidimensionnels possèdent des propriétés structurales, électroniques, et optiques particulières à la fois en sciences fondamentales mais aussi en vue d’applications pratiques.
        Cette activité comprend par exemple:

        Modèles de type liaisons fortes :

        • Paramétrisation des modèles sur des données ab-initio.
        • Transport électronique.

        Structure électronique de nouveaux matériaux 2D : InSe, In2Se3…

        • Hétérostructures : propriétés électroniques et optiques, effet de l’écrantage.
        • Défauts, fautes d’empilement, Moiré.

        Propriétés élastiques du graphite, h-BN etc.. :

        • Constantes élastiques au troisième ordre : RPA.
        • Dérivation de potentiels d’interaction simplifiés.

        Cristallographie quantique

        Cette activité de recherche est principalement focalisée sur le développement et l’application de méthodes qui combinent les techniques traditionnelles de la chimie théorique avec l’information fournie par données cristallographiques expérimentales.

        Approche de la “fonction d’onde expérimentale” de Jayatilaka :

        • Extension de la méthode à plusieurs déterminants de Slater et à différents sets de données expérimentales comme contraintes externes
        • Extraction des effets de corrélation électronique et de polarisations sur la densité électronique (proposition de nouvelles fonctionnelles).

        Méthodes quantiques pour affiner les structures cristallographiques de proteines :

        • Achèvement des librairies d’orbitales moléculaires extrêmement localisées (ELMOs).
        • Développement de méthodes à croissance linéaire exploitant la transférabilité des ELMOs pour l’affinement de structures cristallographiques

        Oscillations magnétiques

        En présence d’un champ magnétique B incliné de θ par rapport à la surface du conducteur, l’aimantation M ou la conductivité oscillent avec l’inverse de celui-ci : effet de Haas-van Alphen (dHvA) et Shubnikov-de Haas (SdH) .
        On peut évaluer à partir du spectre de Fourier les masses effectives m∗, le facteur de Landé g∗, l’aire de la surface de Fermi proportionnelle à la fréquence dominante F, ainsi que la mesure du désordre (température de Dingle).

         

        Etude des propriétés des surfaces de Fermi et des quasi-particules:

        • Organiques fortement 2D : κ-ET2Cu(SCN)2, θ-(ET)4MBr4(C6H4Cl2), M=Co,Zn
        • dHvA et SdH révèlent les fréquences cyclotroniques α, β et leurs harmoniques
        • Etude des fréquences non-classiques β −α et de leur amplitude

        Adsorption dans les zéolithes

        Zéolithes : cristaux basés sur un enchaînement tridimensionnel de tétraèdres.

        Matériaux stables thermiquement et mécaniquement servant pour des applications en adsorption et catalyse.
        Paramètres clés : cation compensateur de charge et rapport Si/Al.

        Utilisation de méthodes avancées :

        • Comparaison de divers schémas correctifs (D2, TS/HI, MBD, RPA) avec des données d’enthalpies d’adsorption expérimentales.
        • Prédiction d’enthalpies d’adsorption à haute température : recours à la dynamique moléculaire ab initio.

        Applications :

        • Dépollution de l’air : piégeage d’hydrocarbures et de NOx.

        Collaborations principales :

         

        Nationales
        IJB (Université de Lorraine), LCT (Paris), LNCMI (Toulouse)

        Internationales
        Slovaquie: Comenius University
        Suisse: Université de Berne
        Italie: CNR-Trieste
        Brésil: UFPB
        Russie: Chernogolovka
        Corée du sud: KAIST
        USA: UC Santa Cruz