Modélisation et dynamique de la fragmentation de petits agrégats de carbone lors de collisions atomiques à haute vitesse

Modelling the dynamics of small carbon clusters fragmentation upon high-energy atomic impact

• Auteur / Autrice : Laurent Montagnon
• Direction : Fernand Spiegelman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des agrégats
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Collisions (physique)

Fragmentation

Carbone

Agrégats (cristallographie)

Mots clés libres

Agrégats

Carbone

Modélisation

Liaisons fortes

Dynamique non-adiabatique

Fragmentation

Résumé

Ce travail de recherche porte sur le développement d'un modèle quantique semi-empirique pour la structure électronique et géométrique des petits agrégats de carbone neutres, simplement et doublement (positivement) chargés. Le modèle est validé par le calcul de propriétés structurelles (géométries, spectres infrarouges et optiques) et de données énergétiques (énergies de liaison, potentiels d'ionisation, énergies et barrières de dissociation) sur ces espèces, et leur comparaison à des calculs ab initio. Le modèle est appliqué à l'étude de l'équilibre d'isomérisation des petits agrégats C+n pour n=3-7, et à des simulations, en dynamique moléculaire non-adiabatique, de l'excitation et de la relaxation de C+2 et C+3 lors de la collision avec un atome d'hélium à haute vitesse. Dans une première partie, nous décrivons les problématiques et les méthodes propres à l'étude des agrégats, l'expérience de collision qui a motivé notre travail, les méthodes de calcul de structure électronique sans approximation et l'état de l'art en ce qui concerne les méthodes semi-empiriques pour la description des agrégats. La seconde partie, traite de la structure du modèle, et des différentes méthodes que nous avons utilisées pour son paramétrage, pour sa validation et pour son exploitation. Enfin, dans la troisième partie, nous présentons les calculs réalisés au moyen du modèle. L'étude de l'équilibre d'isomérisation des petits agrégats de carbone à 3500 K montre l'importance de la prise en compte d'isomères autres que les isomères fondamentaux à de telles température, et l'inclusion de l'excitation électronique dans le cas de C+3 illustre la forte contribution de la densité d'états électroniques pour la thermodynamique de tels agrégats. Dans le cas des simulations de collisions avec l'hélium et de la fragmentation de C+2 et de C+3, notre travail précise les difficultés méthodologiques liée à une telle étude dont l'origine réside dans la prise en compte les états excités électroniques et dans la complexité de leur spectre.

This research tackles the development of a quantum semi empirical model for small neutral carbon clusters and their cations (singly and doubly charged). The model aims at a good description of both the geometric and electronic structure of these species, for non-adiabatic molecular dynamics simulations of high-energy processes. Comparison of structural properties (geometries, infrared and optical spectra) and various energy differences (binding energies, ionization potentials, dissociation barriers) obtained with the model against their ab initio couterparts yields a reasonable agreement. The model is applied to the study of the isomerization equilibrium of small cations C+n, with n=3-7, at 3500 K, and to non-adiabatic molecular dynamics simulations of the excitation and relaxation of C+2 and C+3 upon a high-speed collision with an atomic helium target. The first part of the text presents the scientific and methodological contexts of these developments : specific issues and methods of cluster physics, the collision experiment that originated the development of our model, approximation-free electronic structure calculation methods and state-of-the-art approximation schemes applicable to the description of clusters. In the second part, we describe the model, its structure and parametrization, implementation details, and algorithms used for the applications (electronic structure calculation, structural optimization, and numerical propagation). . .