Simulation atomistique de verres silicatés par la méthode des liaisons fortes (DFTB)

Atomistic modelling of silicate glasses using the tight binding method (DFTB)

• Auteur / Autrice : Julien Perradin
• Direction : Bernard Hehlen, Simona Ispas
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2C - Laboratoire Charles Coulomb
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe de Recherche Matière Molle et Verres

Mots clés

Mots clés libres

Simulation atomistique

Verres d'oxyde

Méthode des liaisons fortes

Structure

Vibrations

Polyamorphisme

Atomistic simulation

Oxide glass

Tight binding method

Structure

Vibrations

Polyamorphism

Résumé

La méthode DFTB (Density Functional Tight Bending) est une technique de calcul de type ab initio permettant d'obtenir des données structurelles et vibrationnelles aussi précises que celles obtenues par les approches ab initio standard, avec un coût de calcul considérablement réduit (10 à 50 fois plus rapide). Appliquée à la silice vitreuse, cette approche a récemment montré que la structure atomique du verre sous pression subit une séquence de transitions de percolation dont les connectivités rappellent celles des homologues cristallins [1]. Ce mécanisme fournit une explication naturelle aux propriétés mécaniques particulières du verre. D'un point de vue théorique, la découverte de réseaux de percolation dans v-SiO2 offre de nouvelles perspectives pour explorer le monde des transitions de phase amorphe-amorphe. Dans ce contexte, l'étudiant(e) générera des modèles de silice pressurisées en phase liquide (haute température), et explorera les transitions de percolation associées à celles observées en phase solide. Iel examinera en parallèle les potentialités de la méthode DFTB pour générer des modèles de verre plus grande taille. Nous estimons pouvoir augmenter d'un facteur proche de 4 les tailles actuellement accessibles par les approches ab initio usuelles. Des calculs seront effectués sur des verres binaires (sodo-silicates) et ternaires (alumino-silicates). Un autre aspect du projet consiste à calculer et décomposer les spectres vibrationnels, afin d'accéder aux réponses spectrales infrarouge et Raman [2]. La comparaison entre les expériences et les simulations numériques sur des modèles de grande taille permettra d'affiner l'affectation des bandes de vibrations atomiques, en termes de structure et d'interactions chimiques. [1] A. Hasmy, S. Ispas, B. Hehlen, Percolation transitions in compressed SiO2 glasses, Nature 599, 62 (2021). [2] D. Kilymis, S. Ispas, B. Hehlen, S. Peuget, and J.-M. Delaye, Vibrational properties of sodosilicate glasses from first-principles calculation, Phys. Rev. B. 99, 054209 (2019).

Density Functional Tight Bending (DFTB) is an ab initio-based calculation method that provides structural and vibrational data as accurate as those obtained using standard ab initio approaches, with a significantly reduced computational cost (10 to 50 times faster). Applied to pure vitreous silica (v-SiO2), the technique has recently shown that the atomic structure of the pressurized glass undergoes a sequence of percolation transitions whose connectivities recall that of the crystalline counterparts [1]. From an experimental point of view, this mechanism provides a natural explanation for the peculiar mechanical properties of the glass. From a theoretical point of view, the discovery of percolation phenomenon in v-SiO2 opens new avenues for exploring the still poorly documented world of amorphous-amorphous phase transitions. In this context, the student will generate pressurized silica models in the liquid state (high temperature) and explore and analyze the percolation transitions related to those observed in the solid state [1]. He/She will examine in parallel the potentialities of DFTB to generate larger glass models. We envisage increasing by a factor of about 4 the size accessible using current ab initio approaches. These calculations will be performed in binary (sodo-silicates) and ternary (alumino-silicates) glasses. Another aspect of the project is to calculate and decompose the vibrational spectra, in order to access the infrared and Raman spectral responses [2]. The comparison between experiments and numerical simulations of large models aims to provide unambiguous band assignments in terms of atomic structures and chemistry. [1] A. Hasmy, S. Ispas, B. Hehlen, Percolation transitions in compressed SiO2 glasses, Nature 599, 62 (2021). [2] D. Kilymis, S. Ispas, B. Hehlen, S. Peuget, and J.-M. Delaye, Vibrational properties of sodosilicate glasses from first-principles calculation, Phys. Rev. B. 99, 054209 (2019).