Une sonde atomique tomographique est un microscope analytique tridimensionnel de haute résolution qui permet d'observer la distribution spatiale des atomes dans un matériau. Elle utilise l'émission d'ions, sous l'effet d'un champ électrique intense, à la surface d'un matériau.
Dans le cas des semi-conducteurs, la surface peut être perturbée par le champ, ce qui conduit à des biais de composition chimique. Or il n'existe que peu de codes permettant de calculer des réarrangements structuraux de surface en présence de champ fort (SCC-DFTB ou Self-Consistent-Charge Density-Functional Tight-Binding). Ces codes comptent en effet un nombre rédhibitoire de cycles de calcul afin de déterminer la charge électrique (effective) d'un atome qui s'adapte à son environnement.
Un modèle « dopé » à l'apprentissage automatique
Les chercheurs de l'Iramis ont donc voulu créer un outil ad hoc dans le cadre théorique de la fonctionnelle de la densité (DFT) en éliminant ces cycles et en leur substituant une méthode d'apprentissage automatique (machine learning) pour le calcul des charges effectives (ML-DFTB ou Machine Learning Density-Functional Tight-Binding). Le machine learning prédisant les charges portées par les atomes, il ne reste qu'à effectuer la partie standard du calcul de structure électronique (DFT) pour obtenir la densité, l'énergie et les forces agissant sur les atomes.
La phase d'entraînement du modèle (machine learning) nécessite un grand nombre de calculs SCC-DFTB de référence pour des configurations atomiques susceptibles d'être rencontrées dans les simulations ultérieures. Elle dure typiquement plusieurs jours, tout en restant à la portée d'un petit cluster de calcul.
Les scientifiques ont appliqué ce nouveau formalisme (ML-DFTB) à des agrégats chargés de carbure de silicium (SiC) et ont pu déterminer le potentiel de surface ressenti par un atome de carbone lorsqu'on l'éloigne de la surface de l'agrégat. À l'infini, ils en déduisent l'énergie de cohésion de l'atome chargé, en bon accord avec le calcul de référence.
Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec le Groupe de physique des matériaux de Rouen, expert de la sonde atomique tomographique.