Calcul a b initio des Propriétés structurales, électroniques et optiques du composé InSb : Une étude comparative

Abstract

Cette étude présente une simulation numérique des caractéristiques physiques de l’antimoniure d’indium (InSb). Cette simulation a été effectuée en utilisant la méthode FP-LAPW, intégrée au logiciel de calcul WIEN2k. Les propriétés structurales, électroniques et optiques ont été calculées en utilisant les approches GGA et GGA-mBJ. Le calcul des propriétés structurales de InSb a révélé que la phase structurale zinc blende est plus stable par rapport aux phases rocksalt et wurtzite. Un bon accord a été obtenu entre nos résultats et les résultats expérimentaux. Le calcul de la structure de bandes d’énergie par l’approche GGA-mBJ a démontré que InSb possède un gap direct de 0.24 eV. La densité de charges électronique calculée par l’approche GGA dans le plan (111), a démontré que la liaison chimique In—Sb est de type covalent polaire. Le calcul de la densité d’états électroniques (DOS), par l’approche GGA-mBJ, a prouvé la présence de deux bandes de valence, supérieure et inférieure. La bande supérieure près de niveau de Fermi, est constituée de deux régions formées des états hybrides (5p-Sb—5p-In) et les états (5p-Sb—5s-In). La bande inférieure est constituée d’une hybridation entre les états (5p-Sb—5s-In). La bande de conduction est composée de deux régions formées des états hybrides (5p-Sb—5s-In) et des états (5p-Sb—5p-In). Les méthodes GGA et GGA-mBJ sont utilisées pour établir la fonction diélectrique ε(E). Les pics de transition optique observés sur le spectre 𝜀2 (𝐸) sont dus aux transitions interbandes directes. Les spectres calculés des indices de réfraction (𝑛) et d’extinction (𝑘) sont en bon ajustement avec ceux expérimentaux. Un bon accord a été établi entre nos valeurs numériques de 𝜀1 (0), 𝑛(0) et 𝑘(0) et celles expérimentales. Un seuil d’absorption optique d’énergie de 3.8 eV est obtenu à partir du spectre d’absorption optique calculé par l’approche GGA-mBJ. Le spectre de la réflectivité 𝑅(𝐸) calculé par GGA et GGA-mBJ montre que ce matériau est moins réfléchissant dans les régions de visible et de l’infrarouge (IR) et plus réfléchissant dans la région de l’ultraviolet (UV). Les spectres de la fonction de pertes d’énergie ELF(E) de InSb, calculés par GGA et GGA-mBJ, sont cohérents avec ceux expérimentaux de EELS enregistré pour une énergie primaire de 250 eV. Ces spectres révèlent une grande perte d’énergie dans la gamme énergétique [10 eV-13 eV]. L’origine des pics de perte d’énergie est due aux plasmons de surface et aux transitions interbandes de type direct. Le pic de seuil d’absorption à 3.6 eV(GGA) et à 3.8 eV (GGA-mBJ), enregistré sur le spectre d’absorption des rayons-X (XAS) est attribué aux états hybrides (5p-Sb—5s-In). Les deux autres pics d’énergie de 10 eV et de 12 eV sont liés aux états (4d-Sb—5s-In). D’après les propriétés étudiées, nous constatons que le composé InSb est très approprié dans les applications optoélectroniques utilisées pour absorber la lumière visible et infrarouge telles que les détecteurs infrarouges (détecteurs thermiques), diodes Laser infrarouges, diodes électroluminescentes, phototransistors,….etc. Abstract This study presents a numerical simulation of the physical characteristics of indium antimonide (InSb). This simulation was performed using the FP-LAPW method, integrated with the WIEN2k computational software. The structural, electronic, and optical properties were calculated using the GGA and GGA-mBJ approaches. The calculation of the structural properties of InSb revealed that the zinc blende structural phase is more stable compared to the rocksalt and wurtzite phases. A good agreement was obtained between our results and the experimental results. The calculation of the energy band structure by the GGA-mBJ approach demonstrated that InSb has a direct band gap of 0.24 eV. The electronic charge density calculated by the GGA approach in the (111) plane demonstrated that the In—Sb chemical bond is of polar covalent type. The calculation of the density of states (DOS) using the GGA-mBJ approach proved the presence of two valence bands, upper and lower. The upper band near the Fermi level consists of two regions formed by the hybrid states (5p-Sb—5p-In) and the states (5p-Sb—5s-In). The lower band consists of a hybridization between the states (5p-Sb—5s-In). The conduction band consists of two regions formed by the hybrid states (5p-Sb—5s-In) and the states (5p-Sb—5p-In). The GGA and GGA-mBJ methods are used to establish the dielectric function 𝜀(𝐸). The optical transition peaks observed in the 𝜀2 (0), spectrum are due to direct interband transitions. The calculated spectra of refractive index (𝑛) and extinction index (𝑘) are in good fit with the experimental ones. A good agreement has been established between our numerical values of 𝜀1(0), 𝑛(0) and 𝑘(0) and the experimental ones. An optical absorption threshold of energy of 3.8 eV is obtained from the optical absorption spectrum calculated by the GGA-mBJ approach. The reflectivity spectrum 𝑅(𝐸) calculated by GGA and GGA-mBJ shows that this material is less reflective in the visible and infrared (IR) regions and more reflective in the ultraviolet (UV) region. The ELF(E) energy loss function spectra of InSb, calculated by GGA and GGA-mBJ, are consistent with the experimental EELS spectra recorded for a primary energy of 250 eV. These spectra reveal a large energy loss in the energy range [10 eV-13 eV]. The origin of the energy loss peaks is due to surface plasmons and direct-type interband transitions. The absorption threshold peak at 3.6 eV (GGA) and 3.8 eV (GGA-mBJ), recorded on the X-ray absorption spectrum (XAS) is attributed to the (5p-Sb—5s-In) hybrid states. The other two energy peaks of 10 eV and 12 eV are related to the (4d-Sb—5s-In) states. From the studied properties, we find that the InSb compound is very suitable in optoelectronic applications used to absorb visible and infrared light such as infrared detectors (thermal detectors), infrared laser diodes, light-emitting diodes, phototransistors, etc.