Méthodologie multi-échelle
Simulation à l’échelle atomique en ALD des oxydes ultra-minces

En matière de modélisation à l’échelle atomique, ces deux dernières décennies ont vu l’émergence, puis la démocratisation des outils et simulations quantiques de type Fonctionnelle de la Densité électronique (DFT) dans quasiment tous les secteurs de recherche (Physique, chimie, biologie…). Leur succès est lié à leur fort pouvoir prédictif, la quasi--totalité de la table périodique des éléments étant accessible. Cependant, la lourdeur des calculs limite cette approche à des tailles de systèmes ne dépassant pas quelques centaines d’atomes dans le meilleur des cas, et à des durées d’expérience de l’ordre de la picoseconde. Or, les technologies, qu’elles soient fondamentalement issues de démarches « top-down » ou « bottom-up », impliquent des millions d’atomes sur des durées d’expériences pouvant atteindre des minutes ou des heures. Une seule approche de simulation, même à fort pouvoir prédictif ne peut résoudre à elle seule les problèmes complexes posés par les nouvelles générations de composants et de systèmes. Il faut donc coupler des modèles plus simplifiés aux modèles précis de la mécanique quantique, c’est la simulation multi-niveaux au sens large : multi-échelles aux plans dimensionnel et temporel, et multi-modèles.

La figure 1 donne une vision globale des différents modèles disponibles pour simuler la matière. Les modèles sont hiérarchisés dans leur capacité à rendre compte des phénomènes suivant les deux dimensions du temps d’expérience et de la taille du système que l’on désire simuler.

La très grande majorité des calculs à l’échelle atomique qui ont été effectués jusqu’ici pour l’ALD l’ont été dans le cadre de la DFT. Elle est basée sur la résolution de l’équation de Schrödinger indépendante du temps, au travers des équations de Khon-Sham et autres approximations liées à la prise en compte des phénomènes d’échange et corrélation (GGA, LDA), à la prise en compte ou non de tous les électrons du système (pseudo-potentiels)… La DFT assure certainement le compromis méthodologique le plus abouti pour décrire les aspects microscopiques de la matière, la nature des interactions entre atomes...