First-Principles study of Structural, Elastic and Electronic Properties of AlN and GaN Semiconductors under Pressure Effect and Magnetism in AlN:Mn and GaN:Mn systems
Résumé
In this work, we report a theoretical study of structural, elastic and electronic properties of AlN and GaN under pressure effect, and their Mn based diluted magnetic semiconductors. The study is focused on the first-principles all electron full-potential linearized / augmented plane wave plus local orbitals calculations within the density-functional theory. The results of bulk properties, including lattice constants, bulk modulus and derivatives and band structures are obtained and compared using both local density approximation (LDA) and the generalized gradient approximation (GGA) for the exchange-correlation functional for the both zincblende and wurtzite AlN and GaN. We find that the GGA does not bring about significant improvement over LDA. We calculate then the density and charge density for both zincblende and wurtzite structure AlN and GaN. Furethere We present the calculations for elastic constants as well as internal-strained parameter and their behavior under pressure. The electronic energy levels and ionicity factor are studied under hydrostatic pressure. We investigate to study the stress effect on piezoelectric constants and transverse effective charges. Our results show that III-V nitrides resemble II-VI compounds in terms of the sign of the piezoelectric constants. The piezoelectric constants and transverse effective charges vary nonlinearly with pressure. Finally, we extend our study to the magnetism in ferromagnetic AlN:Mn and GaN:Mn systems. The results show the half-metallic ferromagnetism for those systems.
Cette thèse porte sur l'étude des propriétés structurales, élastiques et électroniques des semi-conducteurs AlN et GaN à l'état fondamental et sous l'effet de pression hydrostatique. Notre travail a été entendu vers l'étude des systèmes semi-magnétiques et semi-conducteurs (GaN:Mn et AlN:Mn). L'étude est menée par utilisation de la nouvelle version du wien2k basée sur une mixture entre le potentiel total – linéaire des ondes planes augmentées / les ondes planes augmentées plus les orbitales locales (FP-L/APW+lo) avec la théorie de la fonctionnelle de densité. En particulier, les états d de gallium sont considérés comme étant des états d'électrons de valence.
Pour le calcul des propriétés structurales et électroniques dans les phases wurtzite et zinc blende, nous avons utilisé les deux approximations de la densité locale (LDA) et du gradient généralisé (GGA). Dans ce cas, le paramètre de maille calculé par la GGA est plus large et le module de compression est plus petit comparés à celle calculé par la LDA. Comparer à l'expérience, la GGA n'apporte pas une grande amélioration par rapport à la LDA. Les structures de bandes calculées par la GGA et la LDA sont similaires sauf que le GGA diminue l'énergie de gap direct. Les calcules de l'énergie totale suggèrent que à haute pression, le AlN et le GaN se transforment vers une structure NaCl, ce résultat est manifesté par le caractère ionique répondu dans les nitrures.
Nous avons remarqué que nos calculs donnent une excellence description des structures de bandes. Pour le cas du AlN, la transition électronique entre la bande valence et la bande de conduction se diffère entre la structure zinc blende (ZB) et la structure wurtzite (WZ). Dans la phase WZ, nous avons une transition directe au point ? cela a été bien déterminé expérimentalement, contrairement à la phase ZB ou la transition est indirecte entre le point ? et X, ce résultat demeure une prédiction théoriquement. Pour le GaN, la transition électronique dans les deux phases est directe au point ?-? avec l'apparition des états d dans la bande de valence.
Pour ressortir de plus amples informations des états électroniques qui constituent les structures de bandes, nous avons tracé les densités d'état (DOS). Les courbes de la DOS présentent un aspect similaire pour les deux structures zinc blende et wurtzite. Ce pendant une étude détaillée des densités d'état totale et locale donne l'originalité des couplages p – p et p – d dans le AlN et GaN respectivement.
Pour visualiser le caractère de liaison et le transfert de charge dans ces matériaux, nous avons tracé les densités de charges dans les deux phases zinc blende et wurtzite. Nos résultats montrent qu'il y a un caractère ionique prépondérant et un transfert de charge de Al ou Ga vers N. De plus, nous avons remarqué que la situation dans la phase ZB est analogue que dans la phase WZ et ceci à cause qu'ils ont la même coordination des positions atomiques des premiers proche voisins.
Vu l'intérêt apporté à la structure zinc blende récemment synesthésie pour le AlN et le GaN, nous avons étudié les propriétés électroniques sous l'effet de pression. Nous avons varié les gaps d'énergie directe et indirecte sous pression. Nous avons observé un comportement non-lineaire et positif. De plus, ces gaps conservent leurs caractéristiques indirectes ou directes sous l'effet de pression. Nous avons aussi déterminé les potentiels de déformation. L'étude du caractère ionique sous l'effet de pression montre que le facteur d'ionicité augmente en fonction de la pression.
Nous nous sommes aussi intéressés à l'étude des propriétés élastiques. Nous avons déterminé les constantes élastiques et le paramètre de déplacement interne qui sont du même ordre que les résultats théoriques disponibles. Ainsi sous l'effet de pression ces paramètres représentent un comportement linéaire. Ces résultats peuvent être considérés comme étant des prédictions fiables pour les semi-conducteurs AlN et GaN.
En utilisant le modèle d'Harrison, nous avons déterminé la constante piézoélectrique et la charge effective transversal. Nous avons remarqué que les nitrures ont un comportement particulier (avec un signe opposé) avec les semi-conducteurs de la même classe i e III-V et un comportement semblable avec la classe des II-VI. Cette différence entre les nitrures et les autres III-V est due principalement au caractère de liaison répondu dans les nitrures. Sous effet de pression, la constante piézoélectrique et la charge effective transversal représentent un effet non linéaire. Cet effet est du principalement aux variation de paramètre de déplacement interne en fonction du paramètre de maille ainsi que le transfert de charge.
La caractéristique d'empreinte de la perte d'énergie prés du seuil de la structure a été étudiée et analysée pour le AlN et le GaN. Les spectres théoriques indiquent la possibilité à différencier les divers phases en observant le changement dans nombre et la position des pics dans les seuils K et L2,3 pour les éléments Al, N et Ga.
La combinaison entre ces semi-conducteurs et les impuretés magnétiques donne naissance une nouvelle classe de matériaux appelés les semi-conducteurs magnétiques dilués. Nous avons déterminé les paramètres de structure optimisés, les énergies de formation et les propriétés électroniques et magnétiques des systèmes AlN:Mn et GaN:Mn. A partir de nos résultats obtenus, nous avons trouvé que la phase ferromagnétique est la phase la plus stable pour ces deux systèmes.
En utilisant le paramètre de réseau trouvé par nos calcules, nous avons tracé les densités d'état dans la phase ferromagnétique. L'introduction du Manganèse dans le AlN ou le GaN induit la formation d'une bande d'impureté à l'intérieur de la bande interdite Nous avons observé aussi que l'introduction de Mn ne polarise pas la bande de valence, mais il cause une polarisation des spins non négligeable dans la bande de conduction. Nous avons remarqué aussi que les états 3d du manganèse interagissent fortement avec les états p de l'azote ce qui induit une hybridation p – d. Nous avons déduit les champs cristallins et les écarts d'échange où le dernier est plus large par rapport au premier. Nous avons prédit le caractère ferromagnétique semi-métal pour ces deux systèmes. Nous avons déterminé les constantes d'échange N0? et N0? qui imite les propriétés magnéto-optiques expérimentales. Les moments magnétiques des tous les atomes sont parallèles et l'interaction magnétique de l'atome Mn est de courte ranger et que le moment magnétique total est égal à 4?B.
Pour le calcul des propriétés structurales et électroniques dans les phases wurtzite et zinc blende, nous avons utilisé les deux approximations de la densité locale (LDA) et du gradient généralisé (GGA). Dans ce cas, le paramètre de maille calculé par la GGA est plus large et le module de compression est plus petit comparés à celle calculé par la LDA. Comparer à l'expérience, la GGA n'apporte pas une grande amélioration par rapport à la LDA. Les structures de bandes calculées par la GGA et la LDA sont similaires sauf que le GGA diminue l'énergie de gap direct. Les calcules de l'énergie totale suggèrent que à haute pression, le AlN et le GaN se transforment vers une structure NaCl, ce résultat est manifesté par le caractère ionique répondu dans les nitrures.
Nous avons remarqué que nos calculs donnent une excellence description des structures de bandes. Pour le cas du AlN, la transition électronique entre la bande valence et la bande de conduction se diffère entre la structure zinc blende (ZB) et la structure wurtzite (WZ). Dans la phase WZ, nous avons une transition directe au point ? cela a été bien déterminé expérimentalement, contrairement à la phase ZB ou la transition est indirecte entre le point ? et X, ce résultat demeure une prédiction théoriquement. Pour le GaN, la transition électronique dans les deux phases est directe au point ?-? avec l'apparition des états d dans la bande de valence.
Pour ressortir de plus amples informations des états électroniques qui constituent les structures de bandes, nous avons tracé les densités d'état (DOS). Les courbes de la DOS présentent un aspect similaire pour les deux structures zinc blende et wurtzite. Ce pendant une étude détaillée des densités d'état totale et locale donne l'originalité des couplages p – p et p – d dans le AlN et GaN respectivement.
Pour visualiser le caractère de liaison et le transfert de charge dans ces matériaux, nous avons tracé les densités de charges dans les deux phases zinc blende et wurtzite. Nos résultats montrent qu'il y a un caractère ionique prépondérant et un transfert de charge de Al ou Ga vers N. De plus, nous avons remarqué que la situation dans la phase ZB est analogue que dans la phase WZ et ceci à cause qu'ils ont la même coordination des positions atomiques des premiers proche voisins.
Vu l'intérêt apporté à la structure zinc blende récemment synesthésie pour le AlN et le GaN, nous avons étudié les propriétés électroniques sous l'effet de pression. Nous avons varié les gaps d'énergie directe et indirecte sous pression. Nous avons observé un comportement non-lineaire et positif. De plus, ces gaps conservent leurs caractéristiques indirectes ou directes sous l'effet de pression. Nous avons aussi déterminé les potentiels de déformation. L'étude du caractère ionique sous l'effet de pression montre que le facteur d'ionicité augmente en fonction de la pression.
Nous nous sommes aussi intéressés à l'étude des propriétés élastiques. Nous avons déterminé les constantes élastiques et le paramètre de déplacement interne qui sont du même ordre que les résultats théoriques disponibles. Ainsi sous l'effet de pression ces paramètres représentent un comportement linéaire. Ces résultats peuvent être considérés comme étant des prédictions fiables pour les semi-conducteurs AlN et GaN.
En utilisant le modèle d'Harrison, nous avons déterminé la constante piézoélectrique et la charge effective transversal. Nous avons remarqué que les nitrures ont un comportement particulier (avec un signe opposé) avec les semi-conducteurs de la même classe i e III-V et un comportement semblable avec la classe des II-VI. Cette différence entre les nitrures et les autres III-V est due principalement au caractère de liaison répondu dans les nitrures. Sous effet de pression, la constante piézoélectrique et la charge effective transversal représentent un effet non linéaire. Cet effet est du principalement aux variation de paramètre de déplacement interne en fonction du paramètre de maille ainsi que le transfert de charge.
La caractéristique d'empreinte de la perte d'énergie prés du seuil de la structure a été étudiée et analysée pour le AlN et le GaN. Les spectres théoriques indiquent la possibilité à différencier les divers phases en observant le changement dans nombre et la position des pics dans les seuils K et L2,3 pour les éléments Al, N et Ga.
La combinaison entre ces semi-conducteurs et les impuretés magnétiques donne naissance une nouvelle classe de matériaux appelés les semi-conducteurs magnétiques dilués. Nous avons déterminé les paramètres de structure optimisés, les énergies de formation et les propriétés électroniques et magnétiques des systèmes AlN:Mn et GaN:Mn. A partir de nos résultats obtenus, nous avons trouvé que la phase ferromagnétique est la phase la plus stable pour ces deux systèmes.
En utilisant le paramètre de réseau trouvé par nos calcules, nous avons tracé les densités d'état dans la phase ferromagnétique. L'introduction du Manganèse dans le AlN ou le GaN induit la formation d'une bande d'impureté à l'intérieur de la bande interdite Nous avons observé aussi que l'introduction de Mn ne polarise pas la bande de valence, mais il cause une polarisation des spins non négligeable dans la bande de conduction. Nous avons remarqué aussi que les états 3d du manganèse interagissent fortement avec les états p de l'azote ce qui induit une hybridation p – d. Nous avons déduit les champs cristallins et les écarts d'échange où le dernier est plus large par rapport au premier. Nous avons prédit le caractère ferromagnétique semi-métal pour ces deux systèmes. Nous avons déterminé les constantes d'échange N0? et N0? qui imite les propriétés magnéto-optiques expérimentales. Les moments magnétiques des tous les atomes sont parallèles et l'interaction magnétique de l'atome Mn est de courte ranger et que le moment magnétique total est égal à 4?B.
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