Acquisition de données par calcul Ab-Initio

Les méthodes de calculs ab initio

Appliqués à la science des matériaux, les calculs ab initio de la mécanique quantique permettent la détermination de la structure électronique de composés, de la stabilité des phases, de la nature des liaisons et des interactions entre les différents éléments qui les composent. Plusieurs méthodes sont envisageables pour étudier des matériaux, mais dans le cas de composés ordonnés et périodiques, telles que des phases intermétalliques, la méthode de la fonctionnelle de la densité (DFT) semble être l’une des plus adaptée (voir le discours du Nobel Walter Kohn en bas de page). Cette méthode utilise différentes approximations additionnelles, notamment sur la forme des potentiels utilisée ou bien le choix de la base de fonctions. Une liste non exhaustive de codes DFT est proposée en bas de page. Les calculs DFT de phases ordonnées type composés intermétalliques se prêtent particulièrement bien à la modélisation CALPHAD. Ces calculs permettent la prédiction des enthalpies de formation des composés stables et surtout métastables dont l’importance est si grande dans le cadre de la modélisation CALPHAD. En effet, si l’on souhaite décrire la solubilité d’un élément dans une phase où cet élément n’est pas stable, CALPHAD a besoin d’une estimation de l’énergie de formation de l’élément dans la structure de cette phase métastable. Cette donnée n’étant pas accessible expérimentalement, seul un calcul ab initio en est capable. À partir des enthalpies, correspondant à toutes les configurations ordonnées d’une phase complexe de type Frank-Kasper (Laves, A15, phases σ, χ,…), il est aussi envisageable de prédire son énergie libre dans tout le domaine de composition grâce à l’approximation de Bragg-Williams. La détermination de cette fonction permet alors d’effectuer des calculs prédictifs de variables thermodynamiques. De nombreuses études sur cette technique ont déjà montré des résultats convaincants, même pour des systèmes à éléments réfractaires où les données expérimentales (calorimétrique…) ne sont pas toujours évidente à mesurer [1-3].

  • [1] Dupin, N.; Fries, S. G.; Joubert, J.-M.; Sundman, B.; Sluiter, M. H. F.; Kawazoe, Y. & Pasturel, A. Using first-principles results to calculate finite-temperature thermodynamic properties of the Nb-Ni µ-phase in the Bragg-Williams approximation Philos. Mag., 2006, 86, 1631-1641
  • [2] Crivello, J.-C. & Joubert, J.-M. First principles calculations of the χ and σ phases in the Mo-Re and W-Re systems J. Phys.: Condens. Matter, 2010, 22, 035402
  • [3] Crivello, J.-C.; Palumbo, M.; Abe, T. & Joubert, J.-M. Ab initio ternary σ-phase diagram: the Cr-Mo-Re system CALPHAD, 2010, sous presse, DOI:10.1016/j.calphad.2010.09.002

A) Codes « tout-électron » :

B) Codes « pseudo-potentiels » :

C) Codes adaptée aux structures à plus grande échelle :