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Accueil > FR > Recherche > Physico-Chimie Moléculaire Théorique > Modélisation Quantique des Systèmes (Structure Electronique et Dynamique Interne) > Calculs de structure électronique

Modélisation in silico des matériaux luminescents à l’échelle atomique

par André GOMES - publié le

La luminescence des matériaux inorganiques, généralement associée à la présence de défauts ponctuels (lacunes, impuretés, dopants, électrons piégés...), est à la base de multiples applications technologiques dont l’importance motive depuis longtemps une intense recherche fondamentale.

En nous tournant vers ce domaine, notre objectif a été d’y apporter une composante modélisation ab initio réellement structurée qui soit capable de fournir, à l’échelle de l’atome, des informations spécifiques et originales, voire prédictives, sur les propriétés optiques des matériaux liées à la présence de défauts. Dans ce but, nous combinons deux types d’approche complémentaires : d’une part une approche « périodique », issue de la physique du solide, permettant en particulier de relaxer l’intégralité du pseudo-cristal avec ses défauts, et d’autre part une approche « locale » dite du « cluster environné » qui relève de la physico-chimie moléculaire et qui est bien adaptée au calcul des spectres de luminescence.

Après le succès des travaux sur Y2O3 :Bi3+ publiés en 2009, a été entreprise l’étude de la luminescence d’un autre sesquioxide cristallographiquement très différent, l’oxyde de lanthane La2O3, lui aussi dopé par des ions Bi3+. Ces études impliquant le dopant bismuth font également partie d’un programme visant à cerner, au travers de calculs ab initio, quelle est la signification des paramètres semi-empiriques impliqués dans la célèbre théorie du champ cristallin.

Au cours des quatre dernières années, l’essentiel des travaux a porté sur un des composés les plus utilisés en opto-électronique : le niobiate de lithium LiNbO3. Même pur, ce cristal ne se rencontre jamais sous la forme idéale stœchiométrique : ainsi, le composé congruent présente environ 5% de déficit en ions lithium et il contient des ions niobium antisites NbLi. Ce phénomène affecte fortement les propriétés (absorption, photoréfractivité, non-linéarité, dopage...) du matériau ; sa compréhension est donc fondamentale. Des calculs sur 16 structures en super-maille 2x2x2 nous ont tout récemment permis de mettre un point final à la vieille controverse sur le modèle des défauts dans LiNbO3 : c’est le modèle des lacunes de lithium (Li)1-4x(NbLi)xNbO3 qui doit être choisi.

D’autres calculs, couplés à des études expérimentales antérieures (dont les nôtres, épaulées par des calculs de phonons) ont permis d’expliquer quantitativement pourquoi l’incorporation de 5% d’impuretés magnésium Mg2+ rend le cristal homogène et accroît significativement son seuil de résistance aux dommages : les ions Mg2+ prennent la place de lacunes tout en en supprimant d’autres, d’où une bien moindre distorsion du réseau.

On retiendra aussi la détermination théorique de la structure et des phonons de diverses phases de LiNbO3 dont la phase ilménite déjà connue et une nouvelle phase métastable révélée par les calculs. Signalons enfin que vient d’être abordée l’étude des polarons dans LiNbO3 correspondant au piégeage d’électrons par les ions Nb.