Calcul de premiers principes des propriétés structurales, électroniques et optiques des alliages ternaires InxAl1-x As

Abstract

L’objectif de ce travail est de mener des études sur les propriétés structurales, électroniques et optiques de l’alliage InxAl1-xAs (x = 0, x = 0.25, x = 0.5, x = 0.75, x =1) dans la phase structurale zinc-blende. Des calculs de premier principe ont été effectués en utilisant la méthode des ondes planes augmentées et linéarisées (FP-LAPW) basée sur le formalisme de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et implémentée dans le code de calcul WIEN2k. Pour les propriétés structurales, nous avons utilisé l’approximation du gradient généralisé (GGA). Cependant pour les propriétés électroniques, le potentiel d'échange et de corrélation est traité dans le cadre de deux approximations : l’approximation (GGA) et l’approximation modifiée (GGA-mBJ) proposée par Becke et Johnson. La variation du paramètre de maille, module de compressibilité en fonction de la concentration x de l’indium (In) est en accord avec celle de l’expérimental et de la théorie. Le calcul de la structure de bandes d’énergie a démontré que InxAl1-xAs possède un gap direct dont l’énergie diminue en augmentant la concentration x de In. L’étude des densités totale et partielle de InxAl1-xAs a démontré une forte hybridation entre les états 3s-Al et 5s-In avec un élargissement significatif du bas de la bande de conduction. L’étude de la densité de charges électroniques a prouvé la présence d’une liaison chimique In-Al-As covalente polaire. L’étude des propriétés optiques de de cet alliage ternaire a démontré la présence d’un décalage vers les basses énergies (redshifting) des spectres optiques pour des concentrations x de In supérieures à 25%. L’étude des parties réelle et imaginaire de la fonction diélectrique ε (ω), a indiqué que InxAl1-xAs possède une polarisation diélectrique à basses fréquences pour x ≥25%. Le spectre , déduit par l’approche GGA-mBJ, a mis en évidence toutes les transitions interbandes directes. Le seuil d’absorption, déduit du spectre d’absorption optique, a subi un décalage progressif depuis la région de l’ultra-violet (UV) vers la région du visible (Vis), en augmentant la concentration x de In. Les spectres de la réflectivité optique de l’alliage InxAl1- xAs calculés par les approches GGA et GGA-mBJ ont prouvé que cet alliage est plus réfléchissant dans UV pour x=0% à 100%. Cependant, cette réflectivité diminue légèrement en augmentant la concentration x de In.La diminution de la réflectivité dans la région UV est accompagnée de son augmentation dans les régions du visible et infrarouge. Dans la région de UV, notre alliage possède une conductivité électrique presque constante suite à une polarisation diélectrique, tandis que la conductivité optique atteint ses valeurs maximales puis diminue progressivement en augmentant la concentration x de In. Cette diminution est accompagnée d’une augmentation de la conductivité optique dans les régions du visible et infrarouge. Ces résultats indiquent que pour des concentrations importantes d’indium, cet alliage possède des propriétés optoélectroniques intéressantes qui lui permettent d’être inclus dans divers composants optoélectroniques tels que les lasers IR, les photodetecteurs UV et IR, les diodes photoluminescentes et les cellules photovoltaïques à un gain optique élevé.