Calculs relativistes des propriétés structurales et électroniques des matériaux semi-conducteurs ZnX, CdX et HgX (X=S, Se, Te)

Abstract

L’objectif de ce travail est l’étude de l’effet relativiste sur les propriétés structurales et électroniques des composés semi-conducteurs binaires II-VI : ZnX, CdX, HgX (X=S, Se, Te). L’étude est basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) implémentée dans le code Wien2k. Les résultats ont montré que l’influence de l’effet spin-orbite sur le paramètre de maille des composés étudiés est très faible et que le module de compressibilité diminue lorsqu’on augmente la taille de l’anion allant de S à Te. Par un calcul de structure de bandes nous avons montré que les composé ZnX et CdX (X=S, Se, Te) sont des semi-conducteurs à gap direct au point Γ, par contre les composés HgS, HgSe et HgTe sont des semi-métaux avec un gap négatif. Dans la phase zinc blende, l’interaction spin-orbite réduit la valeur du gap d’énergie, lève la dégénérescence du haut des bandes de valence et pousse la bande split-off vers les basses énergies pour les matériaux de numéro atomique élevé. Cependant, nous notons que dans les solides contenants des éléments lourds les effets relativistes ne peuvent pas être négligés. Le matériau CdSe, a été étudié dans les deux phases cubique (zinc blende) et hexagonale (wurtzite). Nous avons montré qu’en phase hexagonale, en plus du spitting, les structures de bandes sont influencées par le champ cristallin qui est inexistant en phase cubique suite à la symétrie du cristal. Les densités d’états totales et partielles des composés étudiés calculées pour les valeurs des constantes du réseau d’équilibre dans le cas relativiste et non relativiste ont montré que le maximum de la bande de valence est fait principalement des états p de l’anion (S, Se, Te) avec une très faible contribution des deux orbitales s et p du cation (Zn, Cd et Hg). Par contre le minimum de la bande de conduction est fait d’un mélange des états s, p et d de l’anion et du cation.