L'approche numérique  a pour but l'interprétation des observations expérimentales et la  prédiction  de nouvelles propriétés des matériaux. La compréhension des phénomènes physiques nécessite une description à l'échelle atomique où la taille et l'organisation géométrique jouent des rôles importants. Le défit majeur est de modéliser des systèmes aussi proches que possible de ceux élaborés au sein du laboratoire.

            La complexité tant au niveau de la structure géométrique que sur la composition chimique font que la modélisation de ces systèmes nécessite tout un panel d'approches allant des méthodes semi-empiriques aux méthodes ab initio. Il est alors nécessaire de faire cohabiter les méthodes dites semi-empiriques pouvant traiter des systèmes très complexes et les méthodes ab initio plus précises mais applicables à des systèmes plus abordables.

            Le travail de modélisation mené au sein de notre groupe est basé sur des calculs de structure électronique dans le cadre de la DFT. Le plus souvent, les codes de calculs type DFT, sont développés  pour des matériaux spécifiques. Un calcul décrivant bien les propriétés physique d'un système métallique  peut  donner des résultats insuffisants   dans le cas d'un semi-conducteur ou un polymère. Dans le cas des matériaux  présentant des interfaces mixtes métal/semiconducteur ou hybrides organique-inorganique l'approche DFT est souvent délicate.

L'étude des interactions à l'interface entre nanotube de carbone et nanoparticules métalliques fait partie d'un projet européen “ European  STREP, nano2hybrids” (www.nano2hybrids.net). Une simulation des nanotubes et des nanoparticules métalliques à partir d'une approche DFT et Liaisons Fortes nous permet de comprendre la nature des liaisons chimiques, des transferts de charge ainsi que la modification des propriétés de ces systèmes hybrides  métal-carbone, en particulier l'absorption de molécules de gaz pour la mise au point de détecteurs  de  gaz ultra-sensibles et ultra-rapides.  Le traitement, à l'aide d'un plasma de gaz, des surfaces d'un nanotube peut  introduire des défauts au niveau  des  parois,  et un autre aspect de cette modélisation est  de bien comprendre  la nature des  formations de ces défauts et leur interaction avec les nanoparticules métalliques et par la suite l'absorption de différents types de gaz tels que le benzène ou l'ammoniac.

Science Research Partners:

• Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix FUNDP (project coordinator)
• Université Libre de Bruxelles
• Centre de Recherche Public Gabriel Lippmann
• Université Catholique de Louvain (PCPM)
• Institut des Matériaux de Nantes
• University Rovira I Virgili
• Sensotran, s.l.

Science Communication Partners:

• The Vega Science Trust
• Ed Goldwyn Productions

Collaborations

Nanotubes:

• Dr Marianne Glerup, University of Oslo, Norway
• Dr Odile Stephan, Prof. Christian Colliex, Laboratoire de Physique des Solides, Universite Paris Sud
• Dr Brigette Bouchet-Fabre, CEA Saclay
• Dr Tiberiu Minea, Universite Paris Sud
• Dr Vojislav Krstic, National Pulsed Magnetic Field Laboratory (LNCMP), Toulouse
• A. Gohier, M.A. Djouadi, A. Granier, IMN-PCM

Fullerenes:

• Prof Denis Arcon, Institute Jozef Stefan, Ljubljana, Slovenia
• Nikos Tagmatarchis, Theoretical and Physical Chemistry Institute, National Hellenic Research Foundation, Athens

Publications récentes:

• 'Nitrogen Violation of the Isolated Pentagon Rule' (C.P. Ewels)
• 'Review of Nitrogen doping in carbon nanotubes' ( C. P. Ewels, M. Glerup)

Nous étudions la fixation et la migration du fluor   dans les surfaces de nanotube de carbone. Nous avons récemment montré que le fluor présente différents super-reseaux en surface quand on augmente la température. La transition d'ordre est contrôlée par  la barrière de migration  de surface des atomes  de fluor pour passer à travers les sites proches voisins sur le nanotube,  ce qui explique la transition d'un faible recouvrement semi-ionique à un fort recouvrement covalent par le fluor, observée expérimentalement pour  des températures entre 200 et 250°C du gaz de fluor. L'extension  de la couche de fluor suivant la direction de l'axe du nanotube est favorisée par le mécanisme de la distorsion de la structure architecturale  du carbone.  Ainsi, la formation des  bandes de fluor, observées expérimentalement, peut être expliquer par la formation de rangées de C₂F qui s'étendent  suivant  des axes contigus.

Nous avons aussi étudié la fluorination des fullerenes, notamment C₆₀ and C₇₀,  en ajoutant des atomes de F et F₂ à la cage formée par le fullerene. Un nouveau programme de calcul numérique a été mis en point pour l'étude

Collaborations

• Dr Gregory van Lier, Professor P. Geerlings (VUB, Brussels)
• Prof. Jean-Christophe Charlier, UCL, Louvain-la-Neuve

Publications récentes

• 'Pattern formation on carbon nanotubes'
  C. P. Ewels, G. Van Lier, J. -C. Charlier, M. I. Heggie, P. R. Briddon,
  Physical Review Letters, 96 216103 (2006).
• 'Theoretical Analysis of Fluorine addition to Carbon Nanotubes: Functionalisation Routes and Addition Patterns.'
  G. Van Lier, C. P. Ewels, F. Zuliani, A. De Vita, J. -C. Charlier,
  J. Phys. Chem. B, 109(13), 6153-6158 (2005).
• 'Theoretical Study of the Addition Patterns of C60 Fluorination: C60Fn (n = 1-60)'
  G. Van Lier, M. Cases, C. P. EWELS, R. Taylor, P. Geerlings,
  J. Org. Chem. 70, 1565-1579 (2005).

Collaborations

• Prof. D. Arcon, Dr. P. Umek, Institut Josef Stefan, Ljubjana, Slovenia.
• Dr. A. Gloter, CNRS UMR8502, LPS, Universite Paris Sud

Publications récentes

• 'Impact of Structure and Morphology on Gas Adsorption of Titanate-Based Nanotubes and Nanoribbons'
  P. Umek, P. Cevc, A. Jesih, A. Gloter, C. P. Ewels, D. Arcon
  Chem. Mater. 17 (24), 5945-5950 (2005).

Défaut méta stable formé d'une paire interstitiel-lacune dans le graphite.

Les défauts intrinsèques tels que les lacunes et les impuretés interstitialles peuvent jouer un rôle  très important sur les propriétés mécaniques, chimiques et électroniques des nanomatériaux. Grâce  aux récent progrès  en microscopie, il est maintenant possible d'obtenir une  image d'un  défaut  ponctuel individuel, ce qui ouvre un nouveau domaine d'études théoriques et expérimentales permettant une description précise des structures des défauts ponctuels et des lignes de défauts. Les configurations de défauts  métastables, la diffusion et l'agrégation, les effets d'irradiation sur la création des défauts et des perturbations localisées dans les nanomatériaux, sont les thèmes auxquelles on s'intéresse actuellement.

Collaborations

• A. Zobelli, Dr. A. Gloter, Prof. C. Colliex, LPS, Universite Paris Sud
• Prof. M. I. Heggie, Dr. G. Savini, G. Haffenden,  Chemistry, University of Sussex
• Prof. K. Suenaga, AIST, Tsukuba, Japan
• Prof. P. Briddon, Dr. J. Goss, Newcastle University, UK
• Dr. A. El Barbary, Cairo, Egypt.

Publications récentes:

• 'Vacancy migration in hexagonal boron nitride'
  A. Zobelli, C. P. Ewels, A. Gloter, G. Seifert, C. Colliex,
  Physical Review B, Accepted (2007).

• 'Defective Structure of BN Nanotubes: From Single Vacancies to Dislocation Lines'
  A. Zobelli, C. P. Ewels, A. Gloter, G. Seifert, O. Stephan, S. Csillag, C. Colliex,
  Nano Letters 6 (9), 1955-1960 (2006).

Les composés semi-conducteurs présentant un comportement ferromagnétique à température ambiante  font actuellement  l'objet d'études très intensives tant sur le plan expérimental que théorique.  Une façon d'obtenir ce genre de matériau est d'utiliser des structures hybrides associant un métal ferromagnétique et un semi-conducteur soit sous une forme massive, super-réseaux ou sous forme d'hétérostructures. La compatibilité des paramètres de maille  du  germanium et du fer doit permettre l'élaboration de composés  FeGe dans lesquels la polarisation des atomes de fer peut donner un certain ordre magnétique.

Collaborations

• C. Demangeat, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg.
• A. Vega, Universite Valladolid, Espagne.
• A. Siad Université Oran, Algérie