Exploration des alliages III-V-Nitrures (AlGaN, BGaN et BAlN) par algorithme évolutionnaire couplé à la théorie de la fonctionnelle de la densité.

Résumé

Ce travail de thèse s'intéresse principalement à l'étude de la dépendance du gap optique et de la détermination du paramètre de courbure des alliages d'AlGaN, de BGaN et de BAlN qui sont formés respectivement par la combinaison des systèmes GaN-AlN, GaN-BN et AlN-BN. Nous avons utilisé pour cette étude une nouvelle approche théorique qui basée sur le couplage de l'algorithme évolutionnaire (AE) et de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) afin de sélectionner les phases les plus stables à partir de la seule connaissance de la composition chimique du système. D'après l'algorithme évolutionnaire, le concept darwinien de sélection nous a permis -via la base de données du Materials Project- de déterminer trois phases stables pour chaque alliage, ainsi par exemple pour le BAlN, nous avons obtenu deux phases cubiques: B3AlN4 et BAl3N4 (qui sont appropriées aux compositions d'alliages x = 0.25 et x = 0.75, avec le groupe d'espace P-43m), et une phase tétragonal: BAlN2 (qui est appropriée à une composition d'alliage x = 0.50, avec le groupe d'espace P-4m2). En utilisant la méthode pseudopotentiel implémentée dans le code Quantum ESPRESSO, nous avons calculé les propriétés structurales, thermodynamiques, mécaniques, dynamiques ainsi que les propriétés optoélectroniques des alliages prédits. L'étude de la stabilité thermodynamique est effectuée par le calcul de l'enthalpie de formation H, les résultats obtenus suggèrent que nos alliages sont marginalement instables thermodynamiquement comparés aux composés binaires wz-GaN, wz-AlN ou wz-BN. Cependant, l'analyse des constantes élastiques calculées et des courbes de dispersion des phonons révèle que toutes les phases sont mécaniquement et dynamiquement stables. En utilisant l'approche LDA-1/2, nous avons déterminé la variation du gap optique par rapport à la composition de nos alliages. Nous avons trouvé que le paramètre de courbure optique est fortement lié à la composition d'alliage x, ainsi que les valeurs obtenues en utilisant l'approche de Zunger (notée bZung) sont très proches de celles obtenues par l'interpolation quadratique des courbes de la variation du gap optique en fonction de la composition x (notée bfitt), de sorte que bfitt est égal à 1.39 eV, 10.76 eV et 9.38 eV pour l'AlxGa1-xN, le BxGa1-xN et le BxAl1-xN respectivement. Nous avons constaté que ces résultats concordent bien avec d'autres calculs théoriques et des mesures expérimentales. D'après l'analyse de l'origine physique du paramètre de courbure b, nous avons trouvé que ce paramètre provient principalement de l'effet chimique via l'échange des charges pour tous les alliages, aussi de la contribution de déformation structurale en volume via le désaccord du paramètre de maille des composés parents pour le BxGa1-xN et le BxAl1-xN.

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