Des chercheurs du laboratoire NOMAD de l’Institut Fritz Haber se sont engagés à décrire comment les surfaces changent au contact de phases gazeuses réactives dans différentes conditions de température et de pression. À cette fin, ils ont développé la méthode dite d’échange de répliques grand canonique (REGC). Les résultats ont été publiés dans la revue Lettres d’examen physique le 17 juin.
« Echange de répliques » signifie qu’il existe de nombreuses répliques préparées pour la surface de silicium en contact avec différentes atmosphères d’hydrogène. Ces répliques échangent entre elles pendant la simulation. « Grand-canonique » signifie que la surface de silicium de chaque réplique échange des atomes ou des molécules de deutérium avec le réservoir de gaz de deutérium qu’elle touche, atteignant finalement l’équilibre avec le réservoir de gaz de deutérium.
La connaissance de la morphologie et de l’évolution structurale des surfaces des matériaux dans une atmosphère réactive donnée est un préalable à la compréhension du mécanisme des réactions hétérogènes de catalyse et d’électrocatalyse grâce à la relation structure-propriété-puissance. En général, le suivi fiable des équilibres de phase est d’une importance technologique pour la conception raisonnable des propriétés de surface. Les transitions de phase sont indiquées par les singularités d’une fonction de réaction (par exemple la capacité calorifique). Les chercheurs de FHI ont relevé ce défi en développant la méthode Replica Exchange Grand Canonical (REGC) en conjonction avec la dynamique moléculaire. L’approche capture non seulement la restructuration de la surface étudiée dans différentes conditions réactives, mais identifie également les lignes de transition de phase de surface ainsi que les points triples et critiques.
L’adsorption dissociative de l’hydrogène moléculaire sur la surface du silicium est devenue un critère crucial dans l’étude des systèmes d’adsorption et a des applications importantes telles que la passivation de surface. L’approche REGC est démontrée en utilisant une surface de silicium en contact avec une atmosphère de deutérium. Dans la gamme de 300 à 1 000 Kelvin, l’approche REGC identifie 25 phases de surface thermodynamiquement stables différentes. La plupart des phases identifiées, y compris certaines transitions de phase entre l’ordre et le désordre, n’ont pas été observées expérimentalement auparavant. Il est également montré que la formation ou la rupture dynamique des liaisons Si-Si est la force motrice derrière la transition de phase entre les modèles d’adsorption confirmés expérimentalement.
La méthode REGC permet de combiner les concepts traditionnels de mécanique statistique de la matière condensée avec des calculs de structure électronique de pointe pour prédire les diagrammes de phase de stabilité de systèmes réels. En outre, l’approche a un impact significatif sur les calculs de restructuration de surface dans le domaine de la science des surfaces et est potentiellement pertinente pour une variété d’applications importantes telles que la catalyse hétérogène, l’électrocatalyse et la ségrégation de surface.
Yuanyuan Zhou et al, Approche Ab Initio pour les phases de surface thermodynamiques avec prise en compte complète des effets anharmoniques : l’exemple de l’hydrogène à Si(100), Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.246101