Structure électronique et compétition de phases dans les semi-conducteurs Cu-(In,Ga)-Se, Ga-Se et In-Se : calculs premiers principes basés sur divers potentiels d'échange-corrélation

par Juliana Youssef Srour

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Andreï Postnikov et de Fouad El Haj Hassan.


  • Résumé

    Afin de pouvoir utiliser les nouveaux matériaux semi-conducteurs dans les domaines de l’électronique et de l’optique, il faut parvenir à comprendre leur «structure électronique», ou plus précisément le positionnement des niveaux d’énergie des électrons impliqués dans l’absorption / émission d’un photon. Les propriétés électroniques, sensibles à la composition chimique et à la structure du matériau, sont théoriquement accessibles en résolvant les équations de la mécanique quantique sur ordinateur. Ce travail porte sur des simulations théoriques de la structure électronique de semi-conducteurs binaires constitués d'indium (ou du gallium) et de sélénium, ainsi que de leurs "dérivés" à base de cuivre. La stabilité relative des phases cristallographiques de certains composés In-Se et Ga-Se a été évaluée, ce qui a permis d’expliquer certaines tendances connues et de formuler des prédictions. Les résultats obtenus seront particulièrement utiles dans le domaine du photovoltaïque. Les simulations numériques ont été réalisées dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), visant les structures cristallines d'équilibre et les propriétés électroniques de quelques semi-conducteurs binaires ou (pseudo)ternaires à base de Cu, In, Ga et Se. Les systèmes étudiés possèdent la même structure à courte portée (environnement tétraédrique des cations et anions) mais diffèrent à longue portée. Les composés binaires (Ga/In)Se, (Ga/In)2Se3 constituent des références importantes dans les diagrammes de phases des systèmes à base de (Cu, In, Se) et (Cu, Ga, Se), au sein desquels figurent les phases potentiellement utiles dans le domaine du photovoltaïque. Le travail comprend deux chapitres d'introduction et trois chapitres exposant des résultats nouveaux

  • Titre traduit

    Electronic structure and competition of phases in Cu-(In,Ga)-Se, Ga-Se and In-Se semiconductors : first-principles calculations based on different exchange-correlation potentials


  • Résumé

    In order to optimally use new semiconductor materials in electronics or optics, one needs to understand their “electronic structure”, that is, the mutual placement of the electron energy levels concerned by the processes of absorption / emission of a photon. The electronic properties, which depend on the material’s chemical composition and crystal structure, may be assessed by theory via solving quantum-mechanical equations on a computer. The present work deals with theory simulations of electronic structure done for several binary semiconductors consisting of indium (or gallium) and selenium, moreover for their “derivatives” containing copper. As a result, the relative stability of crystallographic phases of some Ga-Se and In-Se compounds has been assessed, explaining the known trends and making predictions. The results are expected to be useful for current works in photovoltaics. The numerical simulations have been performed within the density functional theory (DFT), aimed at the equilibrium crystal structures and electronic characteristics of several binary or (pseudo)ternary semiconductors based on Cu, In, Ga and Se. The compounds under study share similar short-range order features (tetrahedral environment of both cations and anions), differently assembled on a long-range scale. The binary compounds (Ga/In)Se, (Ga/In)2Se3 mark important end points at the phase diagrams of the (Cu,In,Se) and (Cu,Ga,Se) systems that cover a number of phases relevant, e.g., for applications in photovoltaics. The work comprises two chapters of introduction and three outlining novel results


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