Exploration ab initio du diagramme de phases de l'or à haute pression et haute température

Ab initio exploration of the phase diagram of gold at high pressure and high temperature

• Auteur / Autrice : Pauline Richard
• Direction : Grégory Geneste, François Bottin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière sous conditions extrêmes (Bruyères-le-Châtel, Essonne ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Hichem Dammak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michele Casula, Razvan Caracas, Giorgia Fugallo, Guillaume Deffrennes, Rodolphe Vuilleumier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michele Casula, Razvan Caracas
• DOI : 10.70675/84d93a95z87bdz444cza46ez632e80b8c790

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de la fonctionnelle de densité

Dynamique moléculaire

Enthalpie libre

Phonons

Équations d'état

Apprentissage automatique

Mots clés libres

DFT

Intégration thermodynamique

Energie libre

Phonons

Diagramme de phases de l'or

Équations d'état

DFT

Thermodynamic integration

Free energy

Phonons

Phase diagram of gold

Equation of state

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'exploration du diagramme de phases de l'or à haute pression et haute température. Pour cela, le calcul de l'énergie libre est fondamental afin de comparer la stabilité relative des phases dans des conditions thermodynamiques spécifiques. Cependant, cette grandeur dépend explicitement de la fonction de partition, ce qui la rend difficile à calculer en simulation atomistique. Elle est souvent décomposée en contributions froide et thermique. Parmi ces contributions, les vibrations du réseau cristallin, les phonons, jouent un rôle crucial. En effet, les températures explorées induisent l'apparition d'effets anharmoniques, nécessitant l'emploi de la dynamique moléculaire ab initio, ici basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Cette méthode est la plus appropriée pour prendre en compte ces effets, que les potentiels interatomiques phénoménologiques existants ne parviennent pas à reproduire. Couplée à l'intégration thermodynamique, cette approche constitue une méthode de référence pour le calcul de l'énergie libre. Toutefois, elle reste très coûteuse en temps de calcul et est donc prohibitive pour construire le diagramme de phase complet de l'or. Des méthodes alternatives existent, comme l'approximation quasi-harmonique, mais leur validité à haute température est difficile à évaluer. L'objectif de cette thèse est donc de proposer une méthode efficace pour calculer l'énergie libre tout en conservant la précision de la DFT. Pour ce faire, une procédure d'échantillonnage accélérée par apprentissage automatique est employée. Elle permet d'entraîner des potentiels numériques de substitution, mobilisés a posteriori pour extraire les énergies libres de Gibbs des structures considérées via un calcul d'intégration thermodynamique hors équilibre. Les résultats obtenus ont été validés par comparaison avec ceux du potentiel effectif dépendant de la température. Dans une première partie, cette approche a été appliquée pour construire le diagramme de phases de l'or solide de 0 à 1 TPa et jusqu'à 10 000 K. Elle montre la stabilisation d'une phase cubique centrée (bcc) à haute température, autour de 200 GPa. Une explication de la transition cubique faces centrées (fcc)-bcc avant la fusion a été proposée, se basant sur les effets des constantes de forces interatomiques. Par ailleurs, les domaines de stabilité des phases fcc et hexagonale compacte (hcp) prédits par cette étude sont en bon accord avec la plupart des résultats expérimentaux récents. Dans la seconde partie, cette procédure a été étendue au calcul de la courbe de fusion de l'or.

This thesis is dedicated to exploring the phase diagram of gold under high pressure and high temperature. Calculating the free energy is fundamental for comparing the relative stability of phases under specific thermodynamic conditions. However, this quantity explicitly depends on the partition function, making it challenging to calculate in atomistic simulations. It is often decomposed into cold and thermal contributions. Among these contributions, the lattice dynamics, or phonons, play a crucial role. The temperatures explored induce indeed anharmonic effects, necessitating the use of expensive ab initio methods, based on density functional theory (DFT) which are the most appropriate method to account for these effects that existing empirical potentials cannot reproduce. Coupled with thermodynamic integration, it is the reference method for calculating free energy. However, this method remains very time-consuming and is thus prohibitive to explore the whole phase diagram of gold. Alternative methods exist, such as the quasi-harmonic approximation, but its validity at high temperature is difficult to assess. The goal of this thesis is to propose a method that maintains DFT accuracy while reducing computation time. To achieve this, an accelerated sampling procedure using machine learning is employed. This procedure allows for the training of surrogate potentials, which are then used a posteriori to extract the Gibbs free energies of the considered structures via a non-equilibrium thermodynamic integration calculation. The results obtained have been validated by comparison with those from the temperature-dependent effective potential. In the first part, this approach was applied to construct the phase diagram of solid gold from 0 to 1 TPa and up to 10,000 K. It shows the stabilization of a body-centered cubic (bcc) phase at high temperatures, around 200 GPa. An explanation for the cubic face-centered (fcc)-bcc transition before melting was proposed, based on the effects of interatomic force constants. Furthermore, the stability domains of the fcc and hexagonal close-packed (hcp) phases predicted by this study are in good agreement with most recent experimental results. In the second part, this procedure was extended to calculate the melting curve of gold.