Modélisation à l'echelle atomique de systèmes désordonnés : le cas des amorphes Si et SiSe2

• Auteur / Autrice : Massimo Celino
• Direction : Carlo Massobrio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière condensée

Dynamique moléculaire

Simulation par ordinateur

Méthode de Monte-Carlo

Résumé

A température ambiante, les matériaux peuvent exister non seulement sous forme liquide ou cristalline, mais aussi adopter une structure amorphe. Les matériaux amorphes sont caractérisés par des propriétés physiques et chimiques d'un grand intérêt à la fois fondamental et technologique. Dans ce contexte, l'établissement d'une liaison entre la structure d'un réseau désordonné à l'échelle de l'atome et ses propriétés macroscopiques et thermodynamiques est une étape indispensable à franchir. A cet égard, parmi les approches théoriques, la méthode de la dynamique moléculaire est l'une des plus satisfaisante et prometteuse. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux systèmes désordonnés Si (le silicium) et SiSe2 (le diséléniure de silicium). Nous avons étudié l'amorphe Si dans un intervalle de valeurs allant de la température ambiante jusqu'au delà du point de fusion propre à l'amorphe. Nous avons développé une approche qui combine la méthode dite du `Monte Carlo inverse' (Reverse MonteCarlo) avec la dynamique moléculaire dans le cadre de la liaison forte (Tight-Binding) à température et à pression constante. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à l'étude du liquide et de l'amorphe SiSe2. Ces réseaux désordonnés font partie d'une classe de systèmes binaires de composition AX2 (A=Si, Ge, X=Se, O, S). La structure de ces composés est caractérisée par un ordre structural (ordre a moyenne portée) impliquant des distances plus élevées que les distances entre plus proches voisins. La structure atomique des systèmes AX2 peut différer d'un cas à l'autre, par la présence de défauts homopolaires et d'écarts à la coordinence 4 relative aux liaisons entre les atomes A et les atomes X. Un traitement simplifié des interactions entre les atomes n'est pas approprié dans le cas du SiSe2, nous avons eu recours à la dynamique moléculaire ab-initio.

At room temperature, materials can exists not only in the liquid or in the crystalline phase but also in the amorphous phase. The amorphous materials are characterized by physical and chemical properties that are of great interest from both fundamental and industrial point of view. In this framework several theoretical approaches have been developed but none of them is able to link the intrinsic disordered atomic structure with the macroscopic properties. Among the others the Molecular Dynamics approach is able to tackle this problem. In this thesis the Molecular Dynamics approach has been used to study the structural properties of two amorphous materials: silicon and silicon diselenide (SiSe2). Amorphous silicon has been studied from room temperature till the melting and above. We have developed an approach that combines the Reverse MonteCarlo method and the Molecular Dynamics technique based on the Tight-Binding theory. In the second part of the thesis we have studied the liquid and the amorphous SiSe2. SiSe2 is representative of a class of amorphous binary, semiconducting chalcogenides of technological interest. It belongs to a class of binary systems AX2 (A=Si, Ge, X=Se, O, S) whose structure is characterized by an intermediate range order. This feature is characterized by the presence of a first sharp diffraction peak (FSDP) in the total neutron structure factor. The atomic structure is characterized by the presence of tetrahedral structures centred on silicon atoms. However it is not possible to exclude the presence of a percentage of defects. Classical Molecular Dynamics is not enough accurate to describe the detailed balance between ionic and covalent bonding. For this reason we have resorted to first-principle calculation for the study of the structural features that at the atomistic level determine the presence of intermediate range order.