Simulation intrusive dynamique d'imagerie à effet tunnel

La microscopie à effet tunnel (STM) est une technique d'imagerie très utilisée en nanoscience qui permet d'étudier les états électroniques et la morphologie d'un substrat en exploitant la nature quantique des électrons traversant une barrière de potentiel. Cette méthode, en plus de donner lieu à l'observation d'objets à l'échelle atomique, permet aussi de les manipuler et d'induire des réactions chimiques. Le problème inverse en STM consiste à déterminer la structure atomique d'un échantillon à partir des images expérimentales. La complexité des phénomènes physiques rendent parfois difficile l'interprétation des images obtenues. Des outils permettant de calculer des images STM à partir d'un modèle moléculaire sont donc nécessaires pour comprendre la source des contrastes observés en imagerie expérimentale. Dans sa forme la plus simple, le calcul d'images STM peut être réalisé en utilisant les théories Bardeen ou de Tersoff-Hamann (TH). Ces approches consistent à utiliser la structure électronique des électrodes isolées pour calculer rapidement, par une méthode perturbative, le courant tunnel de manière semi-quantitative. Dans l'état actuel du domaine, cette méthode est utilisée pour obtenir rapidement des images STM calculées. Certaines approches permettent aussi de considérer une modification physique ou chimique (intrusion) de manière interactive, mais dans un cadre statique sans tenir compte de la réorganisation atomique pouvant survenir à la suite de cette modification. L'objectif de ce projet de recherche consiste donc à utiliser la théorie TH pour développer un outil d'imagerie STM qui considère la relaxation moléculaire survenant à la suite d'une intrusion de manière interactive. Pour concrétiser cet objectif, quatre stratégies sont employées. Nous utilisons la théorie de la superposition atomique et de la délocalisation électronique (ASED)à laquelle un terme de van der Waals est ajouté pour calculer l'énergie totale et la structure électronique des systèmes. Pour considérer la relaxation moléculaire, l'algorithme d'optimisation non-linéaire de Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) est utilisé pour optimiser la géométrie de nos systèmes. La structure électronique des molécules relaxées est par la suite utilisée pour calculer, pixel par pixel, le courant tunnel en utilisant principalement le formalisme de Tersoff-Hamann (TH). Finalement, afin de tirer profit des architectures informatiques modernes, les étapes du calcul de la structure électronique et de l'image STM sont réalisées en parallélisant les problèmes. En particulier, un algorithme hybride utilisant des processeurs graphiques (GPU) permet d'accélérer drastiquement le calcul de l'image.