Etude et simulation des composés semiconducteurs et leurs alliages pour des applications optoélectroniques

Abstract

Abstract: Our goal in this work is to find new compound semiconductors for optoelectronic applications. We use the method of augmented plane wave (FP-LAPW) based on the density functional theory (DFT) implemented in the WIEN2k code. We use the local density approximation (LDA) to determine the structural, electronic, magnetic and optical properties of our compounds. To better approach to reality and to the experimental results, we used the Hubbard parameter which adds the Coulomb repulsion of the valence electrons. The semiconductor ZnO, ZnS, CdS are widely used in optoelectronic devices such as solar cells, optical sensors, light emitting diodes LEDs etc ....Moreover, we have successfully doped these materials to obtain other optoelectronic properties. For example, the ferromagnetic behaviour was obtained in ZnO after doping with potassium K. The potassium K doped ZnO show the optical properties in good agreement with the experimental one. Furthermore, the manganese compound Mn doped ZnS is also very important for optoelectronic applications, however, we studied the effect of manganese on the inter-band transitions of ZnS. The result shows the gap values in good agreement with experimental, and an appearance of significant absorption peaks for optical applications, which suggests that this compound may be a good candidate for optoelectronic devices. Then we have as well studied the co-doping CdS with both impurities Mn and Cr elements. The result shows a half-metallic behavior with metallic character in the spin-up and an insulating character in the spin down channel. The compound CdS:Mn,Cr can also be a good material for magneto-optics applications.----------------------------------------------------------- Résumé: Notre objectif dans ce travail de thèse est de trouver des nouveaux composés semiconducteurs pour des applications optoélectroniques. Nous utilisons la méthode des ondes planes augmentés (FP-LAPW) basée sur la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) implémentée dans le code Wien2k. Nous utilisons l’approximation de densité locale (LDA) pour déterminer les propriétés structurales, magnétiques et optiques de nos composés. Pour mieux s’approcher à la réalité et aux résultats expérimentaux, nous avons utilisé le paramètre Hubbard qui ajoute la répulsion coulombienne des électrons de valence. Les semi-conducteurs ZnO, ZnS, CdS sont des semi-conducteurs très utilisés pour les dispositifs optoélectroniques par exemple, les cellules photovoltaïques, les capteurs optiques, les diodes électroluminescentes LEDs etc… Par ailleurs, nous avons réussi à doper ces matériaux pour obtenir de nouvelles propriétés optoélectroniques. Par exemple, on a obtenu le comportement ferromagnétique de ZnO après le dopage avec l’impureté de potassium K. De plus, le composé ZnO dopé K a montré des propriétés optiques en bon accord avec l’expérimental. Par ailleurs, le composé manganèse Mn dopé ZnS est aussi très important pour les applications optoélectroniques, cependant, on a étudié l’effet de manganèse sur les transitions inter-bandes de ZnS. Le résultat a montré de variation de gap en bon accord avec l’expérimental, et des pics d’absorption très importants pour les applications optique. Ce composé peut être un bon candidat pour les dispositifs optoélectroniques. Ensuite, j’ai étudié également le co-dopage de CdS avec les deux impuretés Mn,Cr, le résultat a montré un comportement semi-métallique avec un caractère métallique dans le spin up et un caractère isolant dans le spin down. Cependant, ce composé CdS:Mn,Cr peut être aussi un bon matériau pour les applications magnéto-optiques.