Soutenance mémoire
Les semi-conducteurs II-VI sont constitués par l’association d’un élément de la colonne II avec un élément de la colonne VI de la classification périodique de Mendeleïev, dont les propriétés sont similaires à celles des semi-conducteurs du groupe III-V et IV. En raison du transfert de charge électronique de l’atome du groupe II à celui du groupe VI, les liaisons deviennent de plus en plus ioniques lorsque l’on passe des semi-conducteurs du groupe IV aux semi-conducteurs du groupe II-VI. Les composés d’éléments des colonnes sont des semiconducteurs permettant d’explorer une large gamme de largeurs de bandes interdite supérieur à 1 eV. Ces composés sont technologiquement importants et sont utilisés dans de très nombreux dispositifs de l’optoélectronique, comme par exemple les émetteurs et les photos détectrices dans UV, le visible ou dans l’infrarouge.
Les chalcogénures à base de Béryllium appartiennent à la famille des semi-conducteurs II-IV. Ces composés se caractérisent par une bande interdite de nature indirecte. Ils sont en effet de bons candidats dans le contexte des efforts dépensés pour élaborer de nouveaux dispositifs optoélectroniques capables d’émettre dans les régions verte et bleue du spectre [1].
Structure cristalline
Les semi-conducteurs II-VI et particulièrement les composés BeSe, BeTe, ZnSe et ZnTe ont une structure cristallographique de type Zinc Blende (Sphalérite) représentée sur la figure (I-1). Cette structure qui s’apparente à celle du diamant, est constituée de deux sous réseaux cubiques à faces centrées, l’un d’éléments II, l’autre d’éléments VI, décalé l’un par rapport à l’autre le long de la diagonale principale du cube élémentaire. La maille élémentaire comporte quatre atomes répartir selon la symétrie cubique du groupe d’espace F43m (Td). Chaque atome d’un élément donné est entouré dans un environnement tétraédrique par quatre atomes de l’espèce opposé. La structure cristalline de type zinc blende présente un taux de compacité maximale de l’ordre de (34%) et qui est le taux de remplissage. Elle est donc considérée comme une structure ouverte d’où la possibilité d’insertion d’atomes légers. L’arête du cube, notée a, est le paramètre de maille du matériau.
Première zone de Brillouin
En physique de solide, la notion «zone de Brillouin» est nécessaire pour décrire les propriétés physiques d’un cristal dans lequel la symétrie de translation joue un rôle important [5]. Cette théorie permet de préciser la distribution des niveaux d’énergie et la maille primitive de Weigner Seitz qui représente la première zone de Brillouin [6]. Cette maille élémentaire du réseau réciproque qui est le plus petit volume. Pour la structure de type zinc blende, la première zone de Brillouin a la forme d’un octaèdre tronqué par les six faces d’un cube (Figure I-2), et elle présente un centre de symétrie à l’origine noté : Γ, et les axes ou bien les lignes de haute symétrie sont : Δ, Λ, Σ. Les points de croisement de chacun de ces axes avec les frontières de la première zone de Brillouin sont les points de haute symétrie et ils jouent un rôle majeure dans la théorie de structure de bande [7].
Les transitions de phase
Les matériaux II-VI offrent une large gamme des propriétés physiques. Par exemple, ces matériaux peuvent cristalliser dans une structure cristalline différente (zinc blende, wurtzite,….).
Récemment, les études des propriétés structurales à l’équilibre et sous haute pression des semi-conducteurs II-VI ont été réalisées expérimentalement et théoriquement pour confirmer la phase cristalline stable.
Composés BeSe et BeTe
En raison de la nécessité croissante des semi-conducteurs pour les dispositifs électriques et optiques, les chalcogénures alcalinoterreux AX (A=Ca, Mg, Sr, Be, Ba ; X= O, S, Se, Te) ont été largement étudiées [8]. En particulier, les chalcogénures de béryllium BeS, BeSe et BeTe sont actuellement utilisés comme des matériaux prometteurs pour les diodes laser bleuvert et laser électroluminescentes [9], et ils sont potentiellement un bon choix pour des applications technologiques en raison de leur dureté [10]. Ils ont aussi des applications dans le domaine des dispositifs luminescents [11, 12]. Parmi les chalcogénures alcalinoterreux d’éléments du groupe IIA (Be, Mg, Ca, Sr, Ba), seuls les composés BeS, BeSe et BeTe cristallisent dans la structure zinc blende (B3) tandis que BeO et MgTe adoptent la structure wurtzite et le reste ont une structure roksalte. Les composés de Bore BN, BP et BAs sont similaire aux chalcogénures de béryllium présentant dans les conditions ambiantes la même structure cristalline. Les études expérimentales récentes montrent que les chalcogénures de béryllium BeSe, BeTe ont une transition de phase de la structure zinc blende (B3) à la structure NiAs (B8), et le reste ont une transition de phase entre la structure NaCl (B1) et la structure CsCl (B2) [13]. Les résultats expérimentaux récents ont montré une transition de phase de la structure zinc blende (B3) à la structure NiAs (B8) pour les composés BeSe et BeTe sont 56 ± 5 GPa et 39 ± 5 GPa [3]. Il a été également constaté que ces composés ont fait l’objet de nombreuses études théoriques. Quelques travaux théoriques ont donné des résultats théoriques sur la pression de la transition de phase de ces composés pour le composé BeSe : 40, 42 GPa [14] et 42.7 GPa [15] et pour le composé BeTe : 28, 29 GPa [14] et 32.2 GPa [15].
Composés ZnSe et ZnTe
Les chalcogénures de zinc ZnX (X = S, Se et Te) sont le prototype de semi-conducteurs II-IV qui ont fait l’objet d’intenses recherches à cause de leurs transitions de phase et applications considérables dans les dispositifs optoélectroniques. Dans les conditions ambiantes, les chalcogénures de zinc cristallisent dans la structure zinc blende. Bien que ces trois composés ZnS, ZnSe et ZnTe sont de la même famille et ont la même phase naturelle, leurs transitions de phase induites par la pression élevée ne sont pas les mêmes. Généralement à une pression élevée, le composé ZnSe subit une transition de phase du premier ordre de la phase zinc blende (B3) à la phase NaCl (B1) [16, 17]. Jusqu’à présent, plusieurs expériences ont été menées sur leur transition de phase. Ces expériences mesurent la pression de transition de phase de ZnSe et donnent des valeurs d’environ 13.5 GPa [18]. Les expériences de Raman ont montrées l’existence des anomalies au dessous de cette pression [19, 20]. McMahon et Nelmes [21] ont observé cependant une transition continue très lente de NaCl → Cmcm à 30.0 GPa. Ils ont également observé la possibilité d’une autre déformation au-dessus de 48 GPa. Les transitions de phase de ces composés ont été aussi étudiées par de nombreux auteurs avec diverses méthodes de calcul où ils ont montré que la transition phase de haute pression de ZnSe se produit à une pression autour de 13.7 GPa [22, 23, 24]. Le composé ZnTe présente un comportement différent sous haute pression, en transformant à la phase du cinnabare à 9.5 GPa [25]. D’autres résultats des études expérimentaux et théoriques de la phase de transition de ZnTe [18, 26, 27] ont confirmé l’existence de trois phases de transitions (zinc blende → cinnabare → Cmcm), bien que la présence d’une structure roksalte après Cmcm reste incertaine.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITR I : PRÉSENTATION ET ORIGINALITÉ DES MATÉRIAUX ÉTUDIÉS
I.1. Introduction
I.2. Propriétés physiques
I.2.1. Configuration électronique des composés
I.2.2. Structure cristalline
I.3. Première zone de Brillouin
I.3.1. les points de haute symétrie
I.3.2. Les lignes de haute symétrie
I.4. Les transitions de phase
I.4.1. composés BeSe et BeTe
I.4.2. Composés ZnSe et ZnTe
Références
CHAPITR II : CADRE THÉORIQUE : Théorie de la fonctionnelle de densité DFT et méthode des ondes planes augmentées FP-LAPW
II.1. Introduction
II.2. Equation de Schrödinger d’un solide cristallin
II.3. Approximations fondamentales
II.3.1. L’approximation adiabatique de Born-Oppenheimer
II.3.2. Les approximations Hartree et Hartree-Fock
II.3.3. La théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT)
II.3.3.1. Théorèmes de Hohenberg-Kohn
II.3.3.2. Les équations de Kohn et Sham
II.3.3.3. La fonctionnelle d’échange-corrélation
a- L’approximation de la densité locale (LDA)
b- L’approximation du gradient généralisé (GGA)
b.1- L’approximation (WC-GGA)
II.3.3.4. Résolution des équations de Kohn-Sham
II.4. La méthode des ondes planes augmentées et linéarisées (FP-LAPW)
II.4.1. Introduction
II.4.2. La méthode des ondes planes augmentées linéarisées (FP-LAPW)
II.4.2.1. Méthode des ondes planes augmentées (APW)
II.4.2.2. principe de la méthode (LAPW)
II.4.3. Les rôles des énergies de linéarisation El
II.4.4. Développement en orbitales locales
II.4.4.1. La méthode (LAPW+LO)
II.4.4.2. La méthode (APW+LO)
II.4.5. Le concept de la méthode (FP-LAPW)
II.5. Code de calculs Wien2k
Références
CHAPITRE III : RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
III.1. Introduction
III.1.1. Alliage
III.1.2. Classification des alliages
III.2. Détails de calcul
III.3. Résultats et discussions
III.3.1. Composés binaires
III.3.1.1 Propriétés structurales
III.3.1.2 Propriétés électroniques
III.3.1.3 Propriétés optiques
III.3.1.4 Propriétés thermiques
III.3.1.4.1. Model de Debye
III.3.1.4.2. La loi Dulong et Petit
III.3.1.4.3. Formalisme du Modèle Quasi Harmonique de Debye
III.3.1.4.4. Effet de la température et la pression
1- Le paramètre de réseau et le module de compressibilité
2- Le coefficient de dilatation thermique
3- La capacité calorifique à volume constant Cv et à pression constante Cp
4- L’entropie S
5- La température de Debye θD
III.3.2. Alliages ternaires
III.3.2.1. Propriétés structurales
III.3.2.2. Propriétés électroniques
III.3.2.3. Propriétés thermiques
1- La température de Debye θD
2- La capacité calorifique à pression constante Cp et à volume constante Cv
3- L’entropie de système S
III.3.3. Alliages quaternaires
III.3.3.1. Propriétés structurales
III.3.3.2. Propriétés électroniques
III.3.3.3. Propriétés optiques
III.3.4. Etude de l’alliage Zn1-xBexSeyTe1-y adapté au substrat binaire GaAs
Références
CONCLUSION GENERALE
