Ionic irradiation of materials : real-time dynamics of electronic excitations

Le dommage d’irradiation dans la matière condensée est un phénomène important pour de nombreux domaines : les matériaux pour le nucléaire bien sûr, mais aussi l’électronique embarquée dans les satellites sujets aux rayonnements cosmiques, ou encore la matière vivante lors du traitement d’une tumeur par radiothérapie. Une connaissance précise de l’interaction entre la particule irradiante et le matériau cible est par conséquent fondamentale. L’interaction entre un projectile ionique et une cible peut être décrite par le biais du pouvoir d’arrêt. Il est défini comme étant le transfert d’énergie du projectile au matériau divisé par la profondeur d’implantation. La perte d’énergie d’un ion est induite majoritairement par les excitations électroniques de la cible. Le pouvoir d’arrêt électronique est alors la grandeur principale dans ce domaine. L’arrivée de la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) a permis d’améliorer largement la description de ce phénomène.Au cours de cette thèse, nous avons développé un code ab initio basé sur la TDDFT en temps réel (RT-TDDFT) dans les bases gaussiennes. Cette implémentation a des avantages considérables comme le traitement direct des électrons de cœurs, la rapidité de calculs des fonctionnelles hybrides et la flexibilité spatiale de la base. Avec notre code, nous avons vérifié la convergence du pouvoir d’arrêt vis-à-vis de la taille de la cible afin de tendre vers les matériaux cristallins. Nous avons analysé la dépendance du pouvoir d’arrêt en fonction du paramètre d’impact afin d’obtenir un pouvoir d’arrêt moyenné, correspondant aux conditions expérimentales. L’importance des excitations des électrons de cœurs dans l’irradiation ionique a été démontrée. Nous avons également étudié l’effet de la base gaussienne sur le pouvoir d’arrêt. Cette étude nous a permis de définir deux stratégies pour obtenir une bonne précision du pouvoir d’arrêt : l’extrapolation du pouvoir d’arrêt à partir des bases standards ou la génération de nouvelles bases.Finalement, nous avons calculé le pouvoir d’arrêt du lithium et de l’aluminium dans le cas de l’irradiation aux protons, aux antiprotons ainsi qu’aux particules alpha. Nous avons comparé nos résultats directement aux données expérimentales et aux données générées par le code empirique SRIM, largement utilisé par les expérimentateurs. Nous obtenons un bon accord avec SRIM lorsque celui-ci contient une base de données expérimentales suffisamment riche. De plus, nous avons observé l’effet de Barkas : le pouvoir d’arrêt des antiprotons est inférieur à celui des protons. Cet effet n’est pas reproduit dans les cas de théories plus simples telle que la théorie de la réponse linéaire.Ionic irradiation damage in condensed matter is central to many technological applications: materials in nuclear plants of course, but also electronics and solar panels in space that are subjected to the cosmic irradiation, living matter treated by radiotherapy to eliminate tumors, etc. For all these subjects, an accurate knowledge of the interaction between the irradiating projectile and the target is crucial. The interaction between the irradiating ion and the target material can be described by a stopping power, defined as the energy transfer from projectile to material per penetration distance. The most important ionic energy loss channels in the irradiation process are the electronic excitations. Therefore, the electronic stopping power is the central quantity in this field. With the advent of time-dependent density-functional theory (TDDFT), it is nowadays possible to provide a complete and realistic quantum-mechanical description of the phenomenon.In this thesis, we have developed a fully ab initio real-time TDDFT (RT-TDDFT) approach in the localized Gaussian basis. This implementation has several appealing advantages, such as the cheap account of core electrons, the ease of using the modern hybrid functionals, the flexibility of the basis set and overall low computational cost. With our tool, we explored the bulk limit, the validity of the projectile impact parameter averaging to obtain the experimental random electronic stopping power. We have proven the importance of core electron excitations in the ionic irradiations. A great care wasalso taken about the Gaussian basis set convergence: the extrapolation of the stopping power based on standard basis sets and the basis set generation scheme were proposed.Finally, we have computed the random electronic stopping power in lithium and aluminum targets for three types of projectiles: protons, antiprotons, and alpha-particles. We have compared our results directly to the experiment as well as to the empirical code SRIM, which is a widely-used database of stopping powers and a de facto standard for experimentalists. The agreement with SRIM is good when the SRIM database contains enough experimental points, whereas we show that the SRIM extrapolation can be hazardous when the underlying experimental data points are too few. Concerning the antiproton irradiation, our RT-TDDFT calculations show that the antiproton stopping power is lower than the proton one, which is in agreement with the general experimental observation (the so-called Barks effect). This effect is out of reach of simpler theories, such as the linear response approximation