Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay

Ce modèle, dédié à la description des composés iono-covalents, diffère des autres modèles empiriques (potentiels de paires, COMB, ReaxFF…) en ceci qu’il conjugue à la fois les aspects suivants : les charges sont variables et non ponctuelles, le terme covalent (à N-corps) dépend des charges et il est ajusté sur un nombre restreint de paramètres dont la signification physique est bien identifiée.

Le modèle SMTB-Q (Second-Moment Tight-Binding - Charge Equilibration) repose sur 3 piliers :

• Les ions sont représentés par une orbitale de Slater ns contenant une densité de charges Ψ(r).
• L’énergie covalente est issue d’un traitement en liaisons fortes au second-moment de la structure électronique de l’oxyde. C’est le cœur du modèle. Bien que schématique, la densité d’état est bien reproduite ainsi que les transferts de charges entre oxygènes et cations dus à l’hybridation. Plusieurs types de cations d’un même métal peuvent être introduits, donnant accès à l’étude de la non-stœchiométrie.
• Les charges à l’équilibre sont calculées en minimisant l’énergie par rapport aux charges par un algorithme QEq local.

Résolution graphique montrant la détermination de la charge d’équilibre de l’oxygène Q (en valeur absolue) dans TiO₂. Fcoul représente la partie coulombienne de l’énergie et Fcov la partie covalente. Lorsque dans un oxyde, la covalence est nulle (intégrale de saut β=0), le système est purement ionique et Q=2. L’origine de Fcoul est la différence des électronégativités entre un atome d’oxygène et un atome de titane.

Les systèmes pour lesquels le potentiel a été paramétré :

MgO, SrO (NaCl), TiO₂ (rutile, anatase, brookite), ZrO₂ (monoclinique, quadratique, cubique), UO₂, PuO₂, CeO₂, ThO₂ (fluorine), MoO₂, MoO₃, α-Al₂O₃ (corindon) + Al₂O₃ de transition (θ, γ, κ), Gd₂O₃, Y₂O₃, Eu₂O₃ (bixbyite), SrTiO₃ (pérovskite), Gd₂Ti₂O₇, Gd₂Zr₂O₇, Gd₂Zr₂O₇ (pyrochlore).

SrTiO3 (001) surface and strained thin films: Atomic simulations using a tight-binding variable-charge model. R. Tétot, N. Salles, S. Landron, E. Amzallag, Surface Science, 2013, 616, 19-28

Bulk, surface and point defect properties in UO2 from a tight-binding variable-charge model. G. Sattonnay, R. Tetot, Journal of Physics-Condensed Matter, 2013, 25, 125403

Experimental approach and atomistic simulations to investigate the radiation tolerance of complex oxides: Application to the amorphization of pyrochlores. F. Sattonnay, L. Thomé, N. Sellami, I. Monnet, C. Grygiel, C. Legros, R. Tétot, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2014, 326, 228-233

Atomic scale simulations of pyrochlore oxides with a tight-binding variable-charge model: implications for radiation tolerance. G. Sattonnay, R. Tetot, Journal of Physics-Condensed Matter, 2014, 26, 055403

Molecular dynamics study of high-pressure alumina polymorphs with a tight-binding variable-charge model. N. Salles, O. Politano, E. Amzallag, R. Tétot, Computational Materials Science, 2016, 111, 181–189