Atomsk
Le couteau suisse pour les simulations atomiques
Le couteau suisse pour les simulations atomiques
Ce tutoriel explique comment construire des feuillets de graphène, et comment construire des nanotubes de différentes compositions (carbone, nitrure de bore), qui soient mono-paroi ou multi-parois.
▶ Pour plus d'informations, référez-vous à la page de documentation correspondante.
Le tutoriel sur les mailles élémentaires expliquait comment construire une maille de graphite :
atomsk --create graphite 3.21 5.213 C graphite.xsf
Alors que le graphite est un cristal tridimensionnel, le graphène consiste en un feuillet unique et est périodique à 2 dimensions. Pour obtenir du graphène avec Atomsk, construisez une maille de graphite, et supprimez tous les atomes situés au-dessus du premier feuillet suivant Z :
atomsk --create graphite 3.21 5.213 C -cut above 0.2 Z graphene.xsf
De cette façon, vous obtiendrez un feuillet de graphène, comptant deux atomes par maille. Ci-dessous il est visualisé avec VESTA, qui montre aussi les liaisons et les répliques périodiques de certains atomes :
Ce système a la même boîte que le graphite, qui est hexagonale. Si vous préférez une boîte orthogonale, alors vous pouvez utiliser l'option "-orthogonal-cell" :
atomsk --create graphite 3.21 5.213 C -cut above 0.2 Z -orthogonal-cell graphene.xsf
Après cela, vous pouvez dupliquer ou transformer le feuillet de graphène à votre convenance.
Avec Atomsk, les nanotubes peuvent être générés avec le mode "--create". Le mot-clé à utiliser est "nanotube" (ou "NT"), et il doit être suivi par la longueur de liaison a0, les indices chiraux m et n (deux nombres entiers), et par un ou deux symboles chimiques. Par exemple, pour créer un nanotube de carbone (8,0) avec une distance C-C de 2.6 Å :
atomsk --create nanotube 2.6 8 0 C CNT.cfg
Atomsk vous informera qu'il s'agit d'un nanotube "zig-zag", et affichera son rayon. Vous pouvez visualiser le système final avec OVITO :
Plusieurs choses sont à noter ici. D'abord, Atomsk a créé une boîte de symétrie orthogonale. C'est parce que, lorsque des nanotubes sont synthétisés expérimentalement, ils ont tendance à former des paquets arrangés en hexagones. La longueur de boîte est égale à 4 fois le rayon du nanotube -elle dépend donc des indices chiraux (m,n).
Ensuite, le nanotube est centré sur l'origine cartésienne (0,0,0). Ainsi, si vous le visualisez avec un logiciel qui remet automatiquement les atomes dans la boîte (comme Atomeye), alors vous aurez l'impression que le nanotube est découpé en quatre à chaque coin de la boîte. La visualisation avec OVITO, comme ci-dessus, montre les bonnes positions cartésiennes des atomes. Si vous souhaitez centrer le nanotube dans la boîte, alors vous pouvez utiliser l'option "-shift" lorsque vous créez le nanotube :
atomsk --create nanotube 2.6 8 0 C -shift 0.5*box 0.5*box 0.0 CNT.cfg
Cette fois vous verrez que le nanotube est centré dans la boîte :
Enfin, remarquez que l'axe du nanotube est suivant Z. Vous pouvez dupliquer le annotube suivant cet axe pour en obtenir une version plus longue :
atomsk --create nanotube 2.6 8 0 C -shift 0.5*box 0.5*box 0.0 -duplicate 1 1 6 CNT.cfg
Vous pouvez générer différents nanotubes, en jouant avec les valeurs des indices chiraux. Les nanotubes avec des indices (m,0) ou (0,n) sont appelés "zig-zag", ceux avec m=n sont dits "armchair", et les autres sont simplement appelés nanotubes chiraux. Notez que Atomsk affiche le type de nanotube qui est généré, ainsi que son rayon.
Les nanotubes multi-parois ou Multi-walled nanotubes (MWNT) consistent en un arrangement concentrique de nanotubes de différents rayons. Vu la façon dont Atomsk construit un nanotube (voir section précédente), la façon la plus simple de construire un multi-parois est de générer des nanotubes individuels centrés sur l'origine, et ensuite de les réunir.
Nous avons déjà construit un nanotube (8,0) dans la section précédente (voir la première commande ci-dessus). Générons maintenant un second nanotube avec un rayon plus large, disons un nanotube (16,0) :
atomsk --create nanotube 2.6 16 0 C CNT2.cfg
Comme précédemment, ce nanotube est centré sur l'origine, et sa boîte est plus large que celle du nanotube (8,0) :
Maintenant, pour créer un nanotube multi-parois à partir du (8,0) et du (16,0), utilisons le mode "--merge" de Atomsk. Souvenez-vous que le mode "--merge" utilise la boîte du premier système que vous fournissez comme boîte finale. Donc, pour éviter que des atomes ne se retrouvent en dehors de la boîte, nous allons fournir le nom du système le plus grand en premier, suivi du plus petit :
atomsk --merge 2 CNT2.cfg CNT.cfg MWNT.cfg
Là encore, si vous souhaitez centrer ce nanotube dans la boîte, vous pouvez utiliser l'option "-shift" :
atomsk --merge 2 CNT2.cfg CNT.cfg MWNT.cfg -shift 0.5*box 0.5*box 0.0
Pour résumer, les nanotubes multi-parois peuvent être générés avec la procédure suivante : premièrement, créez chaque nanotube individuel dans un fichier séparé, et laissez-les centrés sur l'origine. Ensuite, réunissez tous les nanotubes dans la même boîte avec le mode "--merge", en utilisant la plus grande boîte comme premier système ; vous pouvez utiliser l'option "-shift" en conjonction de ce mode. Avec cette méthode, vous pouvez réunir deux, trois ou davantage de nanotubes, pour obtenir des multi-parois plus ou moins complexes.
Lorsque vous réunissez plusieurs nanotubes, prenez garde qu'ils aient la même longueur suivant Z. Si certains nanotubes sont plus courts que d'autres, votre système final risque de ne pas avoir de sens physique. Dans l'exemple ci-dessus nous avons réuni deux nanotubes zig-zag, pour être sûr qu'ils aient exactement la même périodicité. Si vous réunissez des nanotubes de différents types (zigzag/armchair/chiral), alors vous pouvez essayer de les dupliquer suivant Z pour que leurs longueurs se correspondent.
Le mode "--create" permet de spécifier jusqu'à deux symboles chimiques pour construire des nanotubes. Par exemple, vous pouvez générer des nanotubes de nitrure de bore (BN) avec la commande suivante :
atomsk --create nanotube 2.6 8 0 B N BNNT.cfg
Bien entendu, vous pouvez aussi centrer ces nanotubes, ou en réunir plusieurs pour former un multi-parois.
