Etude théorique des phases du titane

The aim of my PhD.thesis is to obtain a good understanding of the phase diagram of titanium within density functional theory. This diagram is composed of the alpha phase, the high pressure omega phase and the high temperature beta phase. This requires the differences in total energy to be predicted with a great precision, because these differences are around 50 meV. I find the omega phase to be the most stable one by ab initio calculation at zero temperature and pressure, in contradiction to the experimental results. I find this inversion of the stability also appears in titanium dioxide and zirconium. I have analyzed all the approximations brought into play in the ab initio approach. I have estimated the zero point energy and studied the impact of including the semi-core states as well as the effect of the exchange-correlation functionals. The conclusion is that the usual approximations for the exchange-correlation generate the biggest part of the error. A possible correction is to take into account the electronic self-interaction. I have apply this correction to the semi-core states and find a systematic improvement of the cell parameters, but no improvement on the phase stability. So I can conclude that a better description of the exchange interaction on the localized 3d states is needed. Although the standard functionals of exchange-correlation are not accurate enough to predict the phase diagrams of titanium, they perform well in describing physical properties less demanding in terms of precision, like elastic constants. However, I find important that the predict equilibrium volume must be precise, as these properties are found strongly depend on the volumeL'objectif de cette thèse est d'aboutir à une meilleure compréhension du diagramme de phase du titane grâce à la théorie de la fonctionnelle de la densité. Ce diagramme comprend 3 phases: la phase alpha, la phase omega de haute pression et la phase beta de haute température. Ceci nécessite de pouvoir prédire les différences d'énergie entre phases avec une très grande précision, car ces écarts sont faibles, environ 50 meV. Or, les calculs ab initio prédisent la phase omega comme la phase la plus stable, en désaccord avec l'expérience. Ce problème existe aussi dans le dioxyde de titane et dans le zirconium. J'ai donc exploré les différentes approximations présentes afin de comprendre laquelle est en cause. Ceci m'a conduite à étudier l'influence des états de semi-coeur et de la fonctionnelle d'échange et corrélation, et à évaluer la contribution de l'énergie de point zéro. J'en ai conclu que c'est l'approximation de la fonctionnelle qui engendre une erreur significative. Une correction possible consiste à tenir compte de l'auto-interaction électronique. Cette correction appliquée aux états de semi-coeur améliore systématiquement les paramètres de maille, mais n'explique pas l'erreur sur la stabilité des phases.Bien que les fonctionnelles d'échanges et corrélation usuelles ne se soient pas révélées suffisamment précises pour décrire le diagrammes de phases du titane, elles sont satisfaisantes pour prédire des propriétés moins fines, comme les constantes élastiques. Toutefois, il est nécessaire que le volume d'équilibre prédit soit précis, car j'ai mis en évidence que ces propriétés dépendent fortement du volum