Etude des nanostructures Lasers à puits quantiques de GaAs1-xBix/GaAs et GaN1-xBix/GaAs

Etude des nanostructures Lasers à puits quantiques de GaAs1-xBix/GaAs et GaN1-xBix/GaAs

Etude des matériaux composés du Bismuth : Intérêt et Applications

Dans ce chapitre, nous étudions les propriétés spécifiques et très intéressantes des alliages semi-conducteurs composés du Bismuth (Bi) tels que GaAs1-xBix et GaN1-xBix ainsi que leurs applications potentielles. Parmi les matériaux III-V du tableau périodique, nous nous intéressons plus particulièrement au composé binaire GaBi ainsi que GaAs, GaN que nous combinons pour obtenir les alliages ternaires qui nous intéressent dans cette étude : GaAs1-xBix et GaN1-xBiX. Les composants optoélectroniques à base de ces alliages ternaires GaAs1-xBiX et GaN1-xBix couvrent un large domaine de l’infrarouge (GaBi Eg= -1.45 eV ) jusqu’à l’ultra violtet (GaN Eg = 3.4 eV) en passant par le visible, donc les alliages sont intéressants ,à cause des propriétés de leur alliages ternaires. il présentent plusieurs application et intérêt technologique dans le domaine infrarouge et l’infrarouge lointain. Dans ce chapitre nous allons étudier les propriétés de spectre l’infrarouge et le visible et les application de ce spectre infrarouge puis on discutera les propriétés de lasers à puits quantiques dans les deux domaine infrarouge et le visible et quel est l’avantage de ces matériaux dans le domaine infrarouge.

L’intérêt majeur des matériaux à base de bismuth par rapport aux matériaux à base de mercure, parce qu’on ne peut pas fabriquer des matériaux de mercure à cause de l’évaporation du mercure , en plus les lacunes créent des centres de recombinaison non radiatif donc on remplace l’alliage HgCdTe par GaAsBi qui est caractérisé par plusieurs propriétés : grande conductivité thermique, grand mobilité électronique pour obtenir des diapositifs plus performants en communication , le gap et la bande interdite directe ce qui donnent des transition électroniques directes. On ne peut pas fabriquer l’alliage à base de Bismuth supérieur de 1%, parce que l’atome de Bismuth est très lourd (Z=83) par rapport a L’arsenic (Z=33), donc il crée des contraintes. Lorsque la composition du Bismuth dans l’alliage GaAsBi est inferieur de 1% , on le considére comme dilué , donc il va décaler la bande de valence en haut donc l’énergie du gap diminue on appelle ce processus « Redshift » L’énergie du spin Orbite pour l’atome Bismuth (Bi) va créer un nouveau système car il va décaler l’orbitale du spin –orbite vers le bas, ce processus est très important car il diminue l’effet Auger et fait disparaitre les photons. Dans ce chapitre nous étudierons également les différents types d’hétéro- structure laser pour l’infrarouge et le visible et l’intérêt de ces matériaux dans les applications lasers.

Objectifs des calculs et intérêt

L’objectif de ce travail est l’étude théorique des propriétés structurales, électroniques, des matériaux Binaires GaAs, GaBi, GaN L’étude de ces matériaux nous permet de déterminer la variation de la structure cristalline et le paramètre de maille (Volume) ainsi que la variation de structure de bande et de l’énergie de Gap pour des alliages ternaires GaAs1-xBix , GaAs1-xNx , GaN1-xBiX . Nous avons calculé les propriétés structurales chaque composé binaire pour déterminer les paramètres d’équilibre (paramètre de maille (a), Volume de maille (V), coefficient de compressibilité (B), Derivé de coefficient de compressibilité (B’), Energie l’équilibre de chaque Binaire (Etot)) La détermination des structures d’équilibre constitue l’étape fondamentale dans tout calcul. Le paramètre interne est optimisé par une minimisation des forces, et l’énergie totale a été calculée en variant le volume dans le but de déterminer les paramètres d’équilibre du réseau et le module de compressibilité nous utilisons dans ce travail les deux correction spin –orbite et la modification Beck-Johnson pour voir la contribution du couplage spin-orbite dans les matériaux binaires Les paramètres du réseau de l’équilibre sont calculés en ajustant l’énergie totale en fonction du volume, en utilisant l’équation de Murnaghan [6] donnée par Donc Les courbes obtenues ont été ajustées par l’équation d’état de Murnaghan

Détail du calcul

Les calculs de ces binaires chaque binaire est calculé dans les 3 phases Zinc Blende, phase wurzite, Rocksalt La phase Zinc Blende appartient au groupe d’espace (F43m) (deux sous réseaux cubique face centre (CFC) translatés l’un par rapport a l’autre d’un quart de la diagonal principal, la différence entre cella et le diamant on trouve des atome de la colonne III dans un des deux sous réseaux CFC et des atome de la colonne V dans l’autre Figure 1 : structure Zinc blende Et pour la phase Würzite, Cette structure est formée de deux sous réseau Hexagonale l’un des deux sous réseaux est composé d’anions (atomes de type V : N , As , Bi) et l’autre de cations (atomes de type III : Ga), les deux sous réseaux sont décalés par la longueur égale à la liaison Ga- N u=3/8= 0 .3768. (Dans la Würtzite idéale) le long de l’axe c. La méthode ab-initio calculée par le code Wien2k est décrite dans l’annexe 1

.La solution self-consistante des équations de Kohn et Sham [4] décrit l’électron de valence dans un potentiel créée par un réseau périodique. Les fonctions de base, les densités électroniques, et les potentiels sont étendus en combinaison d’harmoniques sphériques autour des sites atomiques, c’est à dire les sphères atomiques, avec un cutoff lmax 10, et en série de Fourier dans la région interstitielle. Afin d’obtenir la convergence des valeurs propres, les fonctions d’ondes dans la région interstitielle sont étendues en ondes planes avec un cutoff de RMT×kmax égale à 8 (où RMT est le rayon moyen des sphères muffin-tin). Dans nos calculs, l’énergie de séparation entre les états de valence et les états de coeur est- 6.0 Ry pour la phase Zinc Blende et pour la phase Würzite , Rocksalt. Ainsi, les configurations électroniques sont Ar3d104s24p1 , Ar3d104s24p3 , Xe4f145d106s26p3 pour les binaires : Galium, Arsenic et le Bismuth respectivement,. L’intégration sur la zone de Brillouin a été effectuée, en utilisant le schéma de Monkhorst et Pack [5] ; La convergence est achevée en utilisant les valeurs représentées dans le tableau I qui contient les rayons muffin-tin RMT.

.Bulk modulus : A la température zéro , le modul bulk modulis B0 d’un matériau est défini comme l’inverse de compressibilité et donne par l’équation suivant : B0= -V dP/dV = – V d2E/dV2 Ou le V c’est le volume , P c’est la pression , E c’est l’énergie respectivement Le bulk modulus c’est un paramètre important dans les propriétés de matériaux GaAs1-xBix , pas seulement pour les propriétés élastiques et mécaniques , mais également pour les propriétés électroniques (5) , et donne un aperçu direct sur la nature et la force de plus proche voisin , et pour le paramètre du réseau (6) .les calculs purement théoriques par l’ab-initio le bulk modulus et leur dérivée sont très importants , ils sont réalisés a partir de point du vue de l’énergie totale , sans simplifications des approximations , sauf ceux qui sont prévues dans la méthode DFT-FP-LAPW , donc il est important pour compare nos calculé par d’autre calcul théorique avec qui considérons comme pseudo –empirique (5.6.7) Nous calculs leur bulk modulus et leur dérivée de bulk modulus pour l’alliage GaAs1-xBix dans la phase cristallin Zinc Blende par résolution de l’équation d’etat de Murnaghan (équation 1) pour les deux méthodes LDA et GGA , les résultats de nos calculs donnée dans le tableau et a la figure

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Table des matières

Introduction
Chapitre 1 : Etude des matériaux composés du Bismuth : Intérêt et Applications
1. Introduction
2. Intérêt des domaines Infrarouge et Visible.
3. Les Lasers à Puits Quantiques pour l’Infrarouge et le Visible
4. Intérêt des matériaux GaAs1-xBix et GaN1-xBix et leurs hétérostructures
5. Conclusion
Chapitre 2 : Etude ab-initio FP-LAPW/TB-mBJ/SO des matériaux binaires III-V: GaAs, GaN, GaBi
1. Introduction
2. Objectifs des calculs et intérêt
3. Etude des propriétés structurales et électroniques du matériau binaire GaAs,
4. Etude des propriétés structurales et électroniques du matériau binaire GaN
5. Etude des propriétés structurales et électroniques du matériau binaire GaBi
6. Conclusion
Chapitre 3 : Etude ab-initio FP-LAPW/TB-mBJ/SO des alliages ternaires GaAs1-xBix et GaN1-xBix
1. Introduction
2. Objectifs des calculs et intérêt
3. Etude des propriétés structurales et électroniques de l’alliage ternaires GaAs1-xBix
4. Etude des propriétés structurales et électroniques de l’alliage ternaires GaN1-xBix
5. Conclusion
Chapitre 4 : Etude des nanostructures Lasers à puits quantiques de GaAs1-xBix/GaAs et GaN1-xBix/GaAs
1. Introduction
2. Etude k.P des nanostructures GaAs1-xBix/GaAs et GaN1-xBix/GaAs
3. Etude d’optimisation des Lasers à puits quantiques de GaAs1-xBix/GaAs
4. Etude d’optimisation des Lasers à puits quantiques de GaN1-xBix/GaAs
5. Conclusion
Conclusion
Annexe I : Méthodes de calculs ab-initio : DFT, méthode FP-LAPW
Annexe II : Méthodes de calculs k.P