En collaboration avec le Dr. Evgenii Roginskii du Département de spectroscopie de l’état solide de l’Institut Ioffe (Saint-Pétersbourg, Russie), une équipe de chercheurs du laboratoire IRCER a mis au point un nouveau workflow adressant le calcul des spectres Raman sur des systèmes oxydes amorphes avec des modèles atomistiques périodiques de plusieurs centaines d’atomes. Ces travaux ont fait l’objet d’un article publié dans la revue Physica Status Solidi Rapid Research Letters, mise en avant sur la page de couverture du Volume 17 publié en avril 2023.

Si des techniques de calcul de spectre Raman existaient déjà et s’appliquaient de manière performante sur des systèmes cristallins ou des petits systèmes moléculaires de quelques dizaines d’atomes, le cas de systèmes périodiques de plus grande taille restait un défi à relever. Pour cela, l’équipe a développé un nouveau workflow de calcul de spectre Raman en combinant la théorie de la fonctionnelle de la densité et la méthode des différences finies permettant ainsi d’obtenir des spectres Raman calculés à partir de modèles atomistiques issues de la dynamique moléculaire ab-initio. Ces développements ont été testés sur la silice (SiO₂) et le dioxyde de tellure (TeO₂) et ont démontré de très bons résultats en accord avec les résultats expérimentaux. En effet, cette technique permet, pour la première fois sur des systèmes périodiques et de grandes tailles, de reproduire toutes les bandes Raman avec une très bonne précision.

De plus, cette méthode donne également accès aux modes normaux de vibration et permet ainsi d’analyser l’origine des bandes Raman calculées en identifiant les unités structurelles à l’origine des vibrations correspondantes. L’équipe a ainsi pu observer un pic de forte intensité dans la gamme des basses fréquences du spectre Raman attribué au fameux pic Boson. Selon l’analyse à l’échelle atomique des modes propres de vibrations, ce pic est assigné aux vibrations collectives de nano-clusters formés par les unités structurales du verre.

Plus généralement, ces travaux ouvrent la voie au déploiement systématiques des calculs de spectres Raman sur les systèmes amorphes. Ils se poursuivent également à travers l’application de la technique à un ensemble de modèles atomistiques préalablement produits dans le laboratoire IRCER et aussi en s’attaquant à des matériaux plus complexes, en s’intéressant par exemple aux matériaux binaires et ternaires à base d’oxyde de tellure.

Depuis de nombreuses années, le laboratoire IRCER collabore avec l’Institut Ioffe autour du calcul des propriétés optiques non-linéaires des matériaux tellurites. Cette collaboration a été renforcée fin 2021 par la venue du Dr. Evgenii Roginskii, en tant que professeur invité par le LABEX ∑-LIM et ouvre aujourd’hui de nouveaux champs d’application tels que les matériaux massifs.

Ces travaux ont été soutenus par l’ANR via les projets TRAFIC et AMSES et par la région Nouvelle Aquitaine via le projet F2MH. Ils sont également soutenus par des subventions institutionnelles de l’Agence Nationale de la Recherche dans le cadre du programme des Investissements d’avenir avec le LABEX ∑-LIM.

Informations relatives à la publication

Ab-initio Study of the Raman Spectra of Amorphous Oxides: Insights into the Boson Peak Nature in Glassy TeO₂

Evgenii M. Roginskii, Raghvender Raghvender, Olivier Noguera, Philippe Thomas, Olivier Masson, Assil Bouzid

Physica Status Solidi Rapid Research Letters – Volume 17, Issue 4

https://doi.org/10.1002/pssr.202200505

Manuscript received: 21 December 2022, Accepted manuscript online: 14 February 2023, Issue Online: 05 April 2023

Page de couverture: https://doi.org/10.1002/pssr.202370007

Crédit photo : Physica Status Solidi Rapid Research Letters