Diagrammes de phase température-pression, propriétés structurales et électroniques des semiconducteurs binaires et pseudo-binaires : une étude ab initio

Temperature-pressure phase diagrams, structural and electronic properties of binary and pseudobinary semiconductors : an ab initio study

• Auteur / Autrice : Abedalhasan Breidi
• Direction : Andreï Postnikov, Fouad El Haj Hassan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/06/2011
• Etablissement(s) : Metz en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : SESAMES - Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPMD - Laboratoire de Physique des Milieux Denses - EA 3469
• Jury : Président / Présidente : Alain Polian
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Igor Abrikosov, Jean-Louis Bretonnet, Niels Christensen, Józef Deniszczyk, Abbas Hijazi, Mahmoud-Abdallah Korek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions de phases

Semiconducteurs

Mots clés libres

DFT

Semiconducteurs mixtes

Vibrations de réseau

Transitions de phase

Résumé

Concernant la recherche sur les semiconducteurs, la substitution isovalente sur un sous-réseau, qu’il soit cationique ou anionique, permet d’ajuster les paramètres de structure de maille et les propriétés électroniques ou élastiques. La pression hydrostatique externe peut augmenter ou inhiber les effets produits par cette substitution, et, en tout cas, offre un degré de liberté supplémentaire pour varier, ou sonder, les propriétés des semiconducteurs. Par ailleurs, la pression extérieure peut induire une s´séquence de transitions structurales de phase, qui à leur tour peuvent induire une modification de la structure de bande et des propriétés de dynamique du réseau inhabituelles. Puisque les énergies des phases en présence ainsi que les constantes de force sont des propriétés que relèvent de l’état fondamental, elles peuvent être obtenues de manière fiable à partir de calculs “premiers principes” effectués au sein de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Le présent travail concerne de telles études d’ordre théorique, réalisées avec diverses méthodes de calcul, qui sont, en partie, complémentaires. L’analyse comparative des phases en compétition dans les composés purs ZnS et ZnSe sous pression hydrostatique, réalisée en utilisant la méthode de calcul de haute précision APW+lo (mise en oeuvre dans le logiciel WIEN2k), a permis de préciser la s´séquence des transitions de phase induites sous pression extérieure et de résoudre certaines controverses théoriques, liées à l’utilisation de schémas différents d’échange-corrélation. Le calcul des dispersions des phonons dans l’un des dits composés (ZnSe) sous pression, effectué dans le cadre du formalisme de la réponse linéaire via le code abinit, a permis d’identifier les instabilités dynamiques associées au “ramollissement” des modes acoustiques dans certaines parties de la zone de Brillouin, correspondant au pressentiment d’une transition de phase. Les spectres de vibration sous pression ont ensuite été simulés dans un système mixte, en l’occurrence (Zn,Be)Se, en utilisant la méthode des "phonons gelés" et le code Siesta. Enfin, la stabilité thermodynamique des phases en compétition, zincblende et wurtzite, du semiconducteur mixte Cd(S,Se) a été étudiée en utilisant le logiciel VASP selon la méthode du pseudopotentiel, en combinaison avec le formalisme des structures quasi aléatoires spéciales (SQS) permettant de représenter efficacement le caractère désordonné des phases considérées. Il a été possible, sur cette base, de réaliser la caractérisation structurale complète, et de discuter le diagramme de phase température–concentration

In semiconductor research, an isovalent substitution on a sublattice, either cationic or anionic one, is a convenient tool to tune lattice parameters, electronic or elastic properties. External hydrostatic pressure is another such tool, which may either enhance or inhibit the effects of alloying, and in any case offers an additional “coordinate” for scanning and probing the properties of semiconductors. Moreover, external pressure may induce a sequence of structural phase transitions, which in their turn may result in unusual band structures and lattice-dynamical properties. As energies of different phases (needed to construct phase diagrams) and force constants (responsible for vibrational spectra in crystals) are groundstate properties, they can be reliably obtained from first-principles calculations done within the density functional theory (DFT). The present work outlines such studies realized with different and, in part, complementary calculation methods. Comparative analysis of possible phases of pure ZnS and ZnSe compounds under hydrostatic pressure, done using a highly precision APW+lo method (realized in the WIEN2k code), helped to refine the sequence of pressure-induced phase transitions and to resolve some earlier controversies in theory works, related to the use of different exchange-correlation schemes. The calculation of phonon dispersions in the same compounds under pressure, done in linear-response formalism (abinit code), helped to identify dynamical instabilities associated with softening of acoustic modes in some parts of the Brillouin zone, indicating precursors of phase transition. The vibrational spectra under pressure were then subject to study under alloying, in the (Zn,Be)Se system; calculations done using the frozenphonon method as employed in Siesta code. The thermodynamic stability of the known competing phases (zincblende and wurtzite), in the alloy Cd(S,Se), is investigated using pseudopotential method (VASP), where the special quasirandom structures (SQS) formalism is employed to efficiently represent the disorder of the considered phases. On this basis, it became possible to give full structural characterization, and to discuss the temperature-concentration phase diagram