Université de Franche-Comté – UFR Sciences et Techniques

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Université de Franche-Comté – UFR Sciences et Techniques    TRANSFORMÉE EN ONDELETTES : APPLICATIONS AUX PROPRIÉTÉS DIÉLECTRIQUES ET MÉCANIQUES DE NANOSTRUCTURES CARBONÉES Rachel LANGLET 12 novembre 2004 - PowerPoint PPT Presentation

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Université de Franche-Comté – UFR Sciences et Techniques

TRANSFORMÉE EN ONDELETTES : APPLICATIONS AUX PROPRIÉTÉS DIÉLECTRIQUES ET MÉCANIQUES

DE NANOSTRUCTURES CARBONÉES

Rachel LANGLET12 novembre 2004

LPM - UMR 6624, Laboratoire de Mathématiques et Applications – UMR 6623

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

Motivations du travail de thèse

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.1 – Modèle d’interactions dipolaires

1.2 – Obtention des paramètres du modèle

1.3 – Polarisabilité des fullerènes et nanotubes

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

2.3 – Déflexion de nanotubes

III - Transformée en ondelettes

3.1 – Introduction

3.2 – Principes de base

3.3 – Applications

Conclusion générale et perspectives

(n,0) « zig-zag » (ici un (9,0))

(n,m) « chiral » (ici un (10,5))

(n,n) « armchair » (ici un (5,5))

212 am.a n. Rπ. OA

Motivations du travail de thèse

C-CÅ,d

nmmn

m

nmmndR

cc

cc

dictance la 441 avec

2

3arcsin hélicité

32

1 rayon

22

22

SWNT – nanotubes mono-parois

Motivations du travail de thèse

MWNT – nanotubes multi-parois

Distance entre parois : d = 3,4 Å

Notation :

(n1,m1)@(n2,m2)@(n3,m3)

Nombreuses applications et potentialités des nanotubes

l’électronique grand public (écrans plats, transistors…)

la nano-mécanique (nano-balances, nano-pinces…)

les capteurs (détection de traces de molécules dangereuses, de protéines…)

le renforcement de fibres

la médecine (muscles artificiels…)…

Modélisation d’un capteur à base de nanotubes (grande sensibilité des nanotubes sous adsorption de molécules)

Réponse électromécanique des nanotubes (NEMS)

Nanotubes = petits rayons et longueurs souvent importantesDifficulté de prendre en compte la structure atomique

Modèle d’interactions dipolaires ( NT SC)

Application de la transformée en ondelettes dans nos calculs

Modélisations mésoscopiques et/ou multi-échelles

Motivations du travail de thèse

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

(2)

TR (ri ,rj) C(rj)

(2)

TR (rj ,ri) C(ri)

Id33

Id33

Id33

Id33

Eloc(r1)

Eloc(ri)

Eloc(rN)

E0(r1)

E0(ri)

E0(rN)

=•

Dipôles ponctuels en interactions :(Silberstein - Applequist)

Propagateur électrostatique du vide :

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.1 – Modèle d’interactions dipolaires

P

mol

E0

C

(ri)

N

i1

Eloc

(ri)

Champ local : i = 1,..,N

(2)

TR (ri ,rj)

Eloc

(ri)

E0

N

ji

C

(rj)

Eloc

(rj)

(2)

TR (ri ,rj)

E

(ri)

p

(rj)

Paramètre a

x

z

y

Base du nanotube

C

C

C

Base locale

C00

0C0

00C

C ( ri ) = Rt R

B [Eloc] [E0]

Renormalisation

a (Å)

pola

risa

bili

té (

Å3 )

''

1

4

11),( 3

0

2

32/3)2(

'

'

rdrr

errTj

rr

rr

jiR j

i

aa

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.2 – Obtention des paramètres du modèle

a (Å)

pola

risa

bili

té (

Å3 )Renormalisation

a = 1,2 Å

''

1

4

11),( 3

0

2

32/3)2(

'

'

rdrr

errTj

rr

rr

jiR j

i

aa

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.2 – Obtention des paramètres du modèle

a (Å)

pola

risa

bili

té (

Å3 )

Nanotube (17,0) de 16,8 Å de long

C60

Propagateur non renormalisé

Renormalisation

''

1

4

11),( 3

0

2

32/3)2(

'

'

rdrr

errTj

rr

rr

jiR j

i

aa

a = 1,2 Å

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.2 – Obtention des paramètres du modèle

a (Å)

pola

risa

bili

té (

Å3 )

Nanotube (17,0) de 16,8 Å de long

C60

Propagateur renormalisé

Renormalisation

a = 1,2 Å

''

1

4

11),( 3

0

2

32/3)2(

'

'

rdrr

errTj

rr

rr

jiR j

i

aa

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.2 – Obtention des paramètres du modèle

C

C

polarisabilités expérimentales du C60 et du C70

C60 76,5 ± 0,5 Å3 (1)

C70 102 ± 14 Å3 (2)

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.2 – Obtention des paramètres du modèle

(1) R. Antoine et al. JCP 110, 1999

(2) I. Compagnon et al. PRA 64, 2001

C

C

C

C

C

(1) C60 = 76,5 ± 0,5 Å3 et C70 = 102 ± 14 Å3

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.2 – Obtention des paramètres du modèle

C

C

C

(1) R. Antoine et al. JCP 110, 1999

(2) I. Compagnon et al. PRA 64, 2001

polarisabilités expérimentales du C60 et du C70

C60 76,5 ± 0,5 Å3 (1)

C70 102 ± 14 Å3 (2)

C

C

(2) C// / C = 3,5 ± 0,7

(1) C60 = 76,5 ± 0,5 Å3 et C70 = 102 ± 14 Å3

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.2 – Obtention des paramètres du modèle

C

C

C

(1) R. Antoine et al. JCP 110, 1999

(2) I. Compagnon et al. PRA 64, 2001

polarisabilités expérimentales du C60 et du C70

C60 76,5 ± 0,5 Å3 (1)

C70 102 ± 14 Å3 (2)

C

C

(2) C// / C = 3,5 ± 0,7

(1) C60 = 76,5 ± 0,5 Å3 et C70 = 102 ± 14 Å3

(1) et (2)

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.2 – Obtention des paramètres du modèle

C

C

C

(1) R. Antoine et al. JCP 110, 1999

(2) I. Compagnon et al. PRA 64, 2001

polarisabilités expérimentales du C60 et du C70

C60 76,5 ± 0,5 Å3 (1)

C70 102 ± 14 Å3 (2)

Permet de retrouver les polarisabilités transverses théoriques de Benedict et al. pour les tubes semi-conducteurs (TB + RPA)

C 2,47 Å3 et C 0,86 Å3

C

C

C

C

C

(2) C// / C = 3,5 ± 0,7

(1) C60 = 76,5 ± 0,5 Å3 et C70 = 102 ± 14 Å3

(1) et (2)

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.2 – Obtention des paramètres du modèle

(1) R. Antoine et al. JCP 110, 1999

(2) I. Compagnon et al. PRA 64, 2001

polarisabilités expérimentales du C60 et du C70

C60 76,5 ± 0,5 Å3 (1)

C70 102 ± 14 Å3 (2)

55 C60 55 C70

Agrégats cfc de 55 C60 C60 = 82,32 ± 0,06 Å3 (exp : 79 – 83 Å3)

55 C70 C70 = 98 ± 7 Å3 (exp : 97 – 103,5 Å3)

Valeurs cohérentes avec les résultats sur les couches minces

C70 / C60 = 1,19 assez proche des valeurs expérimentales (1,23 – 1,25)

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.3 – Polarisabilité des fullerènes et nanotubes

SWNT - Tubes de longueur finie

Effet de la proximité des bords des tubes pour les plus petits tubes

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.3 – Polarisabilité des fullerènes et nanotubes

(Ų)L

L (Å)

(Ų)L

L (Å)

SWNT - Tubes de longueur finie

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.3 – Polarisabilité des fullerènes et nanotubes

(Ų)L

L (Å)

(Ų)L

L (Å)

E0

SWNT - Tubes de longueur finie

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.3 – Polarisabilité des fullerènes et nanotubes

(Ų)L

L (Å)

(Ų)L

L (Å)

E0

SWNT - Tubes de longueur finie

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.3 – Polarisabilité des fullerènes et nanotubes

(Ų)L

L (Å)

(Ų)L

L (Å)

E0

SWNT - Tubes de longueur finie

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.3 – Polarisabilité des fullerènes et nanotubes

(Ų)L

L (Å)

(Ų)L

L (Å)

E0

SWNT - Tubes de longueur finie

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.3 – Polarisabilité des fullerènes et nanotubes

(Ų)L

L (Å)

(Ų)L

L (Å)

E0 E0

SWNT - Tubes de longueur finie

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.3 – Polarisabilité des fullerènes et nanotubes

(Ų)L

L (Å)

(Ų)L

L (Å)

E0 E0

SWNT - Tubes de longueur finie

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.3 – Polarisabilité des fullerènes et nanotubes

(Ų)L

L (Å)

(Ų)L

L (Å)

SWNT - Tubes de longueur finie

E0 E0

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.3 – Polarisabilité des fullerènes et nanotubes

(Ų)L

L (Å)

(Ų)L

L (Å)

SWNT - Tubes infinis traités avec des conditions aux limites périodiques

Dépendances en R et R² déjà obtenues par Benedict et al. (PRB 52, 1995)

Perspectives : optimiser les calculs pour avoir (R,L) et (R,L)

___ = 50,13 R + 10,81 (Å2) L

___ = 0,40 R2 + 7,95 (Å2) L

(Ų)L

R (Å)

(Ų)L

R² (Ų)

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.3 – Polarisabilité des fullerènes et nanotubes

MWNT - Tubes infinis traités avec des conditions aux limites périodiques

N

i1

MWNTSWN

T(i)MWNT

SWNT(N

)

MWNTInteractions dipolaires

SWNT SWNT externe

/L [Å2] /L [Å2] /L [Å2] /L [Å2]

(10,0)@(19,0)@(28,0)@(36,0)@(45,0)

2790 144 2806(45,0) 129

(36,0)@(45,0) 1632 142 1636

(10,0)@(19,0)@(28,0)@(36,0) 1886 96 1898(36,0) 89

(28,0)@(36,0) 1287 96 1295

(10,0)@(19,0)@(28,0) 1143 57 1170(28,0) 58

(19,0)@(28,0) 954 61 957

(10,0)@(19,0) 601 31 603 (19,0) 30

Polarisabilités axiales additives

L’écrantage des parois internes accentue l’anisotropie des tubes

Réponse très forte à un champ électrique extérieur

Polarisabilités transverses faibles

I - Polarisabilité des fullerènes et des nanotubes

1.3 – Polarisabilité des fullerènes et nanotubes

Bilan et perspectives

Modèle stable après élimination des divergences (renormalisation)

Lois phénoménologiques pour NT (SC) en fonction de leur géométrie

( L) polymères linéaires conjugués, pour L petit

Additivité de la polarisabilité axiale pour les MWNTs

/ exalté

Applications concrètes du modèle

II - Applications

• Modélisation d’un capteur de gaz à base de nanotubes de carbone

• Modélisation de la déflexion de nanotubes sous champ électrique

Capteur expérimental de l’équipe de Rao (Clemson University) (S. Chopra et al. APL 83, 2003)

II - Applications

0 V 20 V

(P. Poncharal et al. Science 283, 1999)

Hypothèse : électromagnétisme des milieux continus encore valable

à l’échelle nanométrique

1[rNT] [] Id — [P][E]1 + Id 0V

1

rNT — Tr [rNT]

3

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

nanotube cylindre creux : SWNT V = 2RLd avec d = 3,4 Å (distance inter-feuillets du graphite)MWNT V = 2RLd avec R rayon moyen, N nombre de parois

Résolution du système :

Champ local Eloc

Dipôle global P C(ri) Eloc(ri)

N

i1

1

Champ macroscopique E — Eloc(ri)

N

N

i1

Hypothèse : électromagnétisme des milieux continus encore valable

à l’échelle nanométrique

1[rNT] [] Id — [P][E]1 + Id 0V

1

rNT — Tr [rNT]

3

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

E0 suivant trois directions principales :

P E

Résolution du système :

Champ local Eloc

Dipôle global P C(ri) Eloc(ri)

N

i1

Hypothèse : électromagnétisme des milieux continus encore valable

à l’échelle nanométrique

1[rNT] [] Id — [P][E]1 + Id 0V

1

rNT — Tr [rNT]

3

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

1

Champ macroscopique E — Eloc(ri)

N

N

i1

E0 suivant trois directions principales :

E0x

Px(1) Py(1) Pz(1)

P

Ex(1) Ey(1) Ez(1)

E

Résolution du système :

Champ local Eloc

Dipôle global P C(ri) Eloc(ri)

N

i1

Hypothèse : électromagnétisme des milieux continus encore valable

à l’échelle nanométrique

1[rNT] [] Id — [P][E]1 + Id 0V

1

rNT — Tr [rNT]

3

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

1

Champ macroscopique E — Eloc(ri)

N

N

i1

E0 suivant trois directions principales :

Px(2) Py(2) Pz(2)

E0y

Ex(2) Ey(2) Ez(2)

Résolution du système :

Champ local Eloc

Dipôle global P C(ri) Eloc(ri)

N

i1

Hypothèse : électromagnétisme des milieux continus encore valable

à l’échelle nanométrique

1[rNT] [] Id — [P][E]1 + Id 0V

1

rNT — Tr [rNT]

3

Px(1) Py(1) Pz(1)

P

Ex(1) Ey(1) Ez(1)

E 1

Champ macroscopique E — Eloc(ri)

N

N

i1

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

E0 suivant trois directions principales :Résolution du système :

Champ local Eloc

Dipôle global P C(ri) Eloc(ri)

N

i1 Px(1)

Py(1) Pz(1)

Px(2) Py(2) Pz(2)

Px(3) Py(3) Pz(3)

E0z

P

Ex(1) Ey(1) Ez(1)

Ex(2) Ey(2) Ez(2)

Ex(3) Ey(3) Ez(3)

E

Hypothèse : électromagnétisme des milieux continus encore valable

à l’échelle nanométrique

1[rNT] [] Id — [P][E]1 + Id 0V

1

rNT — Tr [rNT]

3

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

1

Champ macroscopique E — Eloc(ri)

N

N

i1

rNT 4 – 4,3 (théorie : 4 – 6(3))

• graphite ABAB :

4,39 0 0

rgr 0 4,39 0

0 0 2,18

3,81 0 0

rNT 0 3,81 0

0 0 4,39

rgr = 3,65 (exp : 3(1) – 3,3(2))

• Nanotube (17,0) :

Valeurs cohérentes avec la bibliographie

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

(1) Modestov et al. Surf. Sci 417, 1998

(2) Ergun et al. Verlag Chemie, Winchheim, 1968

(3) Li et al. Nano Lett. 3, 2003

4,39

4,39

2,18

4,39

3,81

3,81

R (Å)

r NT

R rNT

rgr

Pour R donné, L rNT Cste

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

rNT 4 – 4,3 (théorie : 4 – 6(3))

• graphite ABAB :

4,39 0 0

rgr 0 4,39 0

0 0 2,18

3,81 0 0

rNT 0 3,81 0

0 0 4,39

rgr = 3,65 (exp : 3(1) – 3,3(2))

• Nanotube (17,0) :

graphite 3,65

R (Å)

r

(2C C )/3 1,93 Å3

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

rNT 4 – 4,3 (théorie : 4 – 6(3))

• graphite ABAB :

4,39 0 0

rgr 0 4,39 0

0 0 2,18

3,81 0 0

rNT 0 3,81 0

0 0 4,39

rgr = 3,65 (exp : 3(1) – 3,3(2))

• Nanotube (17,0) :

R (Å)

graphite

C C

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

rNT 4 – 4,3 (théorie : 4 – 6(3))

• graphite ABAB :

4,39 0 0

rgr 0 4,39 0

0 0 2,18

3,81 0 0

rNT 0 3,81 0

0 0 4,39

rgr = 3,65 (exp : 3(1) – 3,3(2))

• Nanotube (17,0) :

r

(2C C )/3 1,93 Å3

R (Å)

graphite C C

C C

anneau d’atomes

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

rNT 4 – 4,3 (théorie : 4 – 6(3))

• graphite ABAB :

4,39 0 0

rgr 0 4,39 0

0 0 2,18

3,81 0 0

rNT 0 3,81 0

0 0 4,39

rgr = 3,65 (exp : 3(1) – 3,3(2))

• Nanotube (17,0) :

C C

r

(2C C )/3 1,93 Å3

R (Å)

graphite C C

C C

anneau d’atomes

nanotube infini

C C

C C

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

rNT 4 – 4,3 (théorie : 4 – 6(3))

• graphite ABAB :

4,39 0 0

rgr 0 4,39 0

0 0 2,18

3,81 0 0

rNT 0 3,81 0

0 0 4,39

rgr = 3,65 (exp : 3(1) – 3,3(2))

• Nanotube (17,0) :

C C

r

(2C C )/3 1,93 Å3

R (Å)

graphite C C

C C

anneau d’atomes

nanotube infini

C C

C C

II - Applications

2.1 – Permittivité diélectrique statique de nanostructures carbonées

dépend de l’anisotropie de

rNT 4 – 4,3 (théorie : 4 – 6(3))

• graphite ABAB :

4,39 0 0

rgr 0 4,39 0

0 0 2,18

3,81 0 0

rNT 0 3,81 0

0 0 4,39

rgr = 3,65 (exp : 3(1) – 3,3(2))

• Nanotube (17,0) :

C C

C

r

(2C C )/3 1,93 Å3

Modélisation d’un nanotube avec Nd molécules adsorbées avec , (1)

Hypothèse : – admolécules fixes pas de polarisabilités orientationnelles– faibles taux de recouvrement Volume V cste

P 1 -1

P’Polarisation — = 0(rNT-molId) —— Bii’ E0 —

V NNd V

N+Nd

i,i’

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

(ri)

(ri)

Bi,i’ superposition des (N+Nd)2 matrices A33 avec Aii = Id33 et Aij

indépendant du dipôle permanent des admolécules

(2)

TR (ri ,rj)

(rj)

(2)

TR (ri ,rj)

Eloc

(ri)

E0

N+Nd

ji

(rj)

Eloc

(rj)

(2)

TR (ri ,rj)Nd

ji

(rj)

i = 1,..,N+Nd

(1) M. Arab et al. PRB 69, 2004, R. Langlet et al. JCP 121, 2004

1 1 — L

Effets de bords pour les plus grosses molécules : la portée de l’interaction dipolaire dépasse la taille du tube

Pentes dépendantes de la polarisabilité de l’admolécule

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

C3H7Br 12,3 Å3

NH3 2,26 Å3

O2 1,57 Å3

He 0,2 Å3

1/L (Å-1)

1,000

1,005

1,010

1,015

1,020

0,00 0,05 0,10

rNT-mol

——

rNT

Étude du rapport = nanotube (17,0), R = 6,748 Å

molxx + molyy

t = —————

2

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 5 10 15

polarisabilité de l'adsorbat (ų)

L(1) (en Å)

ZX

Y

abscisse : t

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

rNT-mol

——

rNT

Étude du rapport =

t 1 — L

E0

E0

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 5 10 15

polarisabilité de l'adsorbat (ų)

L(1) (en Å)

abscisse : t

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

rNT-mol

——

rNT

Étude du rapport =

t 1 — L

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

rNT-mol

——

rNT

Étude du rapport =

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0 0 10 20 30 40 50

R (Å)

(en Ų)

tf(R) = –––––

L(1) 1 t 1 —— — f(R) L

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

rNT-mol

——

rNT

Étude du rapport =

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0 0 10 20 30 40 50

R (Å)

(en Ų)

tf(R) = –––––

L(1) 1 t 1 —— — f(R) L

P ——

E V

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

rNT-mol

——

rNT

Étude du rapport =

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0 0 10 20 30 40 50

R (Å)

(en Ų)

tf(R) = –––––

L(1) 1 t 1 —— — f(R) L

P ——

E V

E varie avec R

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

rNT-mol

——

rNT

Étude du rapport =

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0 0 10 20 30 40 50

R (Å)

(en Ų)

tf(R) = –––––

L(1) 1 t 1 —— — f(R) L

P ——

E V

V = 2RLdE varie avec R

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

rNT-mol

——

rNT

Étude du rapport =

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0 0 10 20 30 40 50

R (Å)

(en Ų)

tf(R) = –––––

L(1) 1 t 1 —— — f(R) L

1 — dS r3

P ——

E V

V = 2RLdE varie avec R

NT

1 — dS r3

P ——

E V

V = 2RLd

NT

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

rNT-mol

——

rNT

Étude du rapport =

E varie avec R

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0 0 10 20 30 40 50

R (Å)

(en Ų)

tf(R) = –––––

L(1) 1 t 1 —— — f(R) L

1 1 – ——– L R(R+2h)

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

Calcul analytique simple confirmant les résultats obtenus

rNT-mol

——

rNT

Étude du rapport = hauteurs moyennes d’adsorption des admolécules 3,1 – 3,2 Å

f(R) = 0,591R(R+23,23)1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0 0 10 20 30 40 50

R (Å)

(en Ų)

tf(R) = –––––

L(1) 1 t 1 ——— — R(R+2h) L

1 — dS r3

P ——

E V

V = 2RLd

NT

1 1 – ——– L R(R+2h)

E varie avec R

{1 nanotube + 1 admolécule }

rNT-mol 1 1 1 —— 1 + —— — ——— trNT 0,591 L R(R+2h)

additivité assez-bien vérifiée pour plusieurs

admolécules

Effets coopératifs faibles

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

tt1 + t2 + t3 …

Capteur expérimental de l’équipe de Rao (Clemson University)

1 f0 —— rNT

adsorption f0 f

f0 rNT-mol— —— f rNT

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

Résultats obtenus par Rao et al. sous 1500 ppm

1,012

1,010

1,008

1,006

1,004

1,002

1,000 HF N2 O2 CO CO2 NH3 H2O C3H7Br He Ar

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

f02

f 2

Capteur modèle : Nanotube mono-paroi fini

1,012

1,010

1,008

1,006

1,004

1,002

1,000

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

rNT-mol

——

rNT

(17,0) + 1 admolécule

27,36 Å

HF N2 O2 CO CO2 NH3 H2O C3H7Br He Ar

1,012

1,010

1,008

1,006

1,004

1,002

1,000

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

rNT-mol

——

rNT

(17,0) infini + 1 admolécule/période (25,9 Å)

période = 25,9 Å

Capteur modèle : Nanotube mono-paroi périodique

HF N2 O2 CO CO2 NH3 H2O C3H7Br He Ar

1,012

1,010

1,008

1,006

1,004

1,002

1,000

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

rNT-mol

——

rNT

Bi-parois (9,0)@(17,0) + 1 admolécule

27,36 Å

Capteur modèle : Nanotube bi-paroi fini

HF N2 O2 CO CO2 NH3 H2O C3H7Br He Ar

1,012

1,010

1,008

1,006

1,004

1,002

1,000

II - Applications

2.2 – Modélisation d’un capteur de gaz

rNT-mol

——

rNT

Bi-parois (9,0)@(17,0) + 1 admolécule

27,36 Å

Capteur modèle : Nanotube bi-paroi fini

HF N2 O2 CO CO2 NH3 H2O C3H7Br He Ar

Bilan et perspectives

Loi phénoménologique de sensibilité d’un capteur (vérifiée analytiquement)

grande sensibilité pour les petits tubes mono-parois

Insensibilité aux dipôles permanents

Effet additif sur 1 pour plusieurs admolécules

Bon accord de nos résultats avec les résultats expérimentaux et théoriques

Meilleur accord en considérant les taux de recouvrement par une loi de

type Langmuir

Accroître la sélectivité du capteur

Désorption programmée en température pour différencier les admolécules

par leurs énergies d’adsorption

Passer à un modèle continu avec les données issues du modèle atomistique, afin de

pouvoir traiter des systèmes plus complexes (surface, fagots de tubes…)

Nanotube mono-paroi ouvert fixé à une extrémité

Potentiel de Brenner entre atomes

Champ extérieur statique et uniforme

OPTIMISATION (M.J.D. Powell)

E0

E0

P

P

II - Applications

2.3 – Déflexion de nanotubes

Moment de flexion qui tend à aligner P avec E

Énergie totale F EB EP

Potentiel de Brenner

Énergie de polarisation

E0

P

Nanotube Poutre cylindrique creuse continue

R2 - R1 = 0,66 Å ~ épaisseur des orbitales Pz

Hypothèses : - contrainte répartie linéairement suivant l’axe de la poutre - faibles déflexions

II - Applications

2.3 – Déflexion de nanotubes

2 ( ) Ex Ez z (x) — ——————— (3Lx² x³)

3 Y (R24 R1

4) L Équation de la ligne neutre

II - Applications

2.3 – Déflexion de nanotubes

Nanotube (5,0) de 100 atomes (L = 21 Å)

5

4

3

2

1

0

| z (x

) | (

Å)

x (Å)0 5 10 15 20

E0x 0,54 V.Å-1

E0z 0,054 à 0,54 V.Å-1

// 361 ų

┴ 83 ų

Déflexion sous champ électrique

II - Applications

2.3 – Déflexion de nanotubes

Nanotube (5,0) de 100 atomes (L = 21 Å)

5

4

3

2

1

0

| z (x

) | (

Å)

x (Å)0 5 10 15 20

E0x 0,54 V.Å-1

E0z 0,054 à 0,54 V.Å-1

// 361 ų

┴ 83 ų

Module d’Young moyen : Y = 1,8 TPa

Déflexion sous champ électrique

II - Applications

2.3 – Déflexion de nanotubes

Nanotube (5,0) de 100 atomes (L = 21 Å)

5

4

3

2

1

0

| z (x

) | (

Å)

x (Å)0 5 10 15 20

E0x 0,54 V.Å-1

E0z 0,054 à 0,54 V.Å-1

// 361 ų

┴ 83 ų

Module d’Young moyen : Y = 1,8 TPa

Déflexion sous champ électrique Déflexion mécanique circulaire

4 EB

Y—————— d (R2(d/2)2)

2,62 Ų/atome

d 0,66 Å

(n,m) L [Å] [Å]EB1

[eV]EB2 [eV] Y

[TPa]

(5,5) 11,2 400 -690,17 -690,08 4,60

(5,5) 11,2 1000 -690,17 -690,15 4,60

(5,5) 23,4 400-

1418,69

-1418,50

4,77

(5,5) 23,4 1000-

1418,69

-1418,66

4,78

(10,10)

23,4 1000-

2862,98

-2862,7 4,93

(10,10)

72,8 500-

8745,24

-8742,3 4,86

Module d’Young moyen : Y 4,8 TPa

(Z. Xin et al PRB 62, 2000)

Bilan et perspectivesBilan et perspectives

Première approche de la déflexion de tubes sous champ électrique

Lissage possible des résultats par un modèle continu

Permet d’accéder aux données mécaniques (module d’Young…)

Résultats corrects dans le cas de la déflexion purement mécanique

Complexifier le modèle continu

Contrainte non linéaire suivant la ligne neutre

Accélérer le modèle atomistique en passant à un modèle multi-échelles

Localement : modèle atomistique

Globalement : modèle continu utilisant les lois de variations obtenues

Extension à des tubes de tailles plus réalistes, nano-balances…

III - Transformée en ondelettes

III - Transformée en ondelettes

3.1 – Introduction

Algorithmes en N³ algorithmes en ~N og (N)

III - Transformée en ondelettes

3.1 – Introduction

Transformée en ondelettes rapide (FWT)

convolution avec une

gaussienne

discrétisation +

f(t)eitdt

Transformée de Fourier continue

f() = ^

Transformée de Fourier fenêtrée

+

f(t) g(t-t0)eitdtf(t0,) = ^

+

Transformée en ondelettes continue

da,b = f(t) dt~ 1

___

a

tb

___

a

^ +

Transformée en ondelettes discrète

dj,k = 2j/2 f(t) (2jtk) dt ~^

FT

WT

Transformée de Fourier rapide (FFT)

(a,b) = 1 k

__ , __

2j 2j

discrétisation

III - Transformée en ondelettes

3.1 – Introduction

La transformée en ondelettes mesure la similitude entre le signal et l’ondelette pour ses

différentes dilatations ( résolution) et translations ( localisation temporelle)

Vj+1 Vj Wj

échantillonnage de départ

Approximation Détails

Dans le cas diadique

Vj Fonctions d’échelles jk(x)2j/2 (2jxk)}kZ approximation

Wj Ondelettes jk(x)2j/2 (2jxk)}kZ détails

Vj Wj {0}

Bases bi-orthogonales ~ ~jZ Vj Wj et Vj Wj

1

2

1

2 +=

0 1

1

00 1Ex : Haar

ANALYSES MULTI-RÉSOLUTIONS

{0} … Vj Vj+1 … L²

III - Transformée en ondelettes

3.2 – Principes de base

^ ^ ^f(t) cj+1,k (2j+1tk) cj,k (2jtk) + dj,k (2jtk)

k

VjVj+1 Wj

f(t) échantillonnage comportant 2 points

détailsapproximation

k

j,k(t) = hk’ j+1,2k+k’(t)k

k

j,k(t) = gk’ j+1,2k+k’(t)

Relations de la double échelle : relient les ondelettes et les fonctions d’échelle entre deux niveaux de résolution successifs

Espace direct :

Idem pour l’espace dual…

—— ~h

^

cj+1,2k+

^

cj,k

—— ~g

^

cj+1,2k+

^dj,k

^dj,

^

cj,

^

cj+1,k

hk2+ gk2

Relations de reconstruction :Relations de décomposition :

k

détailsapproximation

signal

ondelette

d = 0,0041

Niveau de résolution J+1

Translations

signal

ondelette

d = 0,0041

Niveau de résolution J+1

d = 0,7195

Translations

signal

ondelette

d = 0,0041

Niveau de résolution J+1

d = 0,7195 d = 0,5001

Translations

signal

ondelette

d = 0,0041

Niveau de résolution J+1

d = 0,7195 d = 0,5001

signal

ondelette

d = 0,0003

Niveau de résolution J

Dilatations Translations

signal

ondelette

Niveau de résolution J+1

signal

ondelette

d = 0,8287

d = 0,0041 d = 0,7195 d = 0,5001

d = 0,0003

Niveau de résolution J

Dilatations Translations

signal

ondelette

Niveau de résolution J+1

signal

ondelette

d = 0,7463d = 0,8287

d = 0,0041 d = 0,7195 d = 0,5001

d = 0,0003

Niveau de résolution J

Dilatations Translations

III - Transformée en ondelettes

3.2 – Applications

matrice caractérisant les interactions dipolaires

(2)

TR (ri ,rj) C(rj)

(2)

TR (rj ,ri) C(ri)

Id33

Id33

Id33

Id33

Eloc(r1)

Eloc(ri)

Eloc(rN)

E0(r1)

E0(ri)

E0(rN)

=•

III - Transformée en ondelettes

3.2 – Applications

matrice caractérisant les interactions dipolaires => partition (Y. Li)

WT(colonnes)

WT(lignes)

III - Transformée en ondelettes

3.2 – Applications

matrice caractérisant les interactions dipolaires => partition (Y. Li)

Transformée en ondelettes d’interpolation de la matrice 1er niveau (spline d’ordre 4) Niveau maximal (spline d’ordre 4)

WT(colonnes)

WT(lignes)

III - Transformée en ondelettes

3.2 – Applications

Faible erreur sur méthode

Inefficacité de la décomposition sur un seul niveau

Précision conservée pour la décomposition complète même à 70 – 80 % de compression

Bilan et perspectivesBilan et perspectives

Transformée en ondelettes efficace avec une décomposition sur plusieurs niveaux

précision meilleure que 3% sur jusqu’à 70 - 80 % de compression

Algorithme de résolution linéaire en Nog(N) au lieu de N 3

Exprimer directement les opérateurs (propagateur électrostatique) dans une base d’ondelettes (T. A. Arias - DFT )

Seuillage : seuls les coefficients de la matrice > seuil sont calculés

d’où libération de la mémoire vive

Restriction : varier la précision de la représentation en ondelettes en

fonction des besoins

Extension à des modélisations plus réalistes par gain de mémoire et de temps

Conclusion générale

Modèle d’interactions dipolaires renormalisé

Passer à un modèle de polarisabilités dynamiques

voir hyperpolarisabilités… (L. Jensen, thèse de doctorat, 2004)

Résultats vérifiés par l’expérience (capteur, Rao et al.) loi de sensibilité

Passer à un modèle continu utilisant les résultats du code

Étudier des géométries plus complexes (fagots de tubes, « spaghettis »)

Transformée en ondelettes : outil performant pour réduire la taille mémoire

nécessaire et accélérer les calculs (70 - 80% de compression)

Exprimer directement les opérateurs (propagateur électrostatique) dans

une base d’ondelettes adaptée à la géométrie du problème

LPM - UMR 6624, Laboratoire de Mathématiques et Applications – UMR 6623

REMERCIEMENTSREMERCIEMENTS

Cl. Girardet, D. HoffmannJ.-M. Vigoureux

M. Devel et M. MeyerPh. Lambin, P. Senet et J.-P. Salvetat

F. Picaud, M. Arab pour leur collaborationV. Pouthier, S. Picaud et Ch. Ramseyer pour leurs

réponses à mes questionsToute l’équipe du LPM pour son accueil

Toute l’équipe du LPS de Namur pour leur accueil

Le Conseil Régional pour son soutien financier…et enfin tous les membres de l’AFFDU ainsi que Cl.

Filiatre