Etude en DFT des propriétés électroniques, optiques, élastiques et thermiques des matériaux de structure chalcopyrite

Abstract

Nous avons étudié dans le cadre de ce travail, les propriétés physiques des matériaux chalcopyrites appartenant aux composés ternaires CdXP2 avec (X = Si, Ge et Sn) en utilisant les méthodes de premiers principes basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Les calculs ont été effectués à l’aide de la méthode FP- LAPW telle qu’implémentée dans le code de calcul Wien2k, pour calculer les propriétés électroniques, optiques, élastiques et thermiques des matériaux de structure chalcopyrite. L’ensemble des calculs a été réalisé dans le cadre de l’approximation du gradient généralisé (GGA) pour la description du potentiel d’échange-corrélation. Les résultats obtenus montrent un bon accord avec les données expérimentales et théoriques disponibles dans la littérature. Afin de déterminer avec plus de précision les propriétés électroniques, nous avons utilisé, en plus de l’approximation GGA, l’approximation mBJ pour le calcul de la structure de bandes électroniques. Les résultats obtenus révèlent l’existence d’un gap directsitué le long de la direction (Γ–Γ). Afin de mieux comprendre le comportement mécanique des matériaux étudiés sous l’effet de la pression, nous avons calculé les constantes élastiques Cij. Concernant les propriétés optiques, nous avons évalué : la constante diélectrique ε(ω), l’indice de réfraction n(ω), le coefficient d’extinction k(ω), le coefficient d’absorption α(ω), la réflectivité R(ω) et le spectre de la fonction de perte d’énergie des électrons L(ω). Les paramètres du réseau, le module de compressibilité, les capacités calorifiques ( CV ) et ( CP), ainsi que la température de Debye ont également été déterminés dans l’intervalle de température 0–1000 K, tandis que l’influence de la pression a été analysée dans la plage de 0–10 GPa. في هذا العمل، درسنا الخصائص الفيزيائية لمواد الكالكوبيريت التابعة لمركبات CdXP2 الثلاثية (حيث X = Si، Ge، وSn) باستخدام طرق الحسابات الكمية المعتمدة على نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). أُجريت الحسابات باستخدام طريقة FP-LAPW كما هو مُطبق في برنامج Wien2k لحساب الخصائص الإلكترونية والبصرية والمرنة والحرارية للمواد ذات بنية الكالكوبيريت. أُجريت جميع الحسابات ضمن إطار تقريب التدرج المعمم (GGA) لوصف جهد التبادل والترابط. تُظهر النتائج المُتحصل عليها توافقًا جيدًا مع البيانات التجريبية والنظرية المُتاحة في المراجع العلمية.لتحديد الخصائص الإلكترونية بدقة أكبر، استخدمنا، بالإضافة إلى تقريب GGA، تقريب mBJ لحساب بنية النطاقات الإلكترونية. وتُظهر النتائج المُتحصَّل عليها وجود فجوة نطاق مباشرة تقع على طول الاتجاه (Γ–Γ). ولفهم السلوك الميكانيكي للمواد المدروسة بشكل أفضل تحت تأثير الضغط، قمنا بحساب ثوابت المرونة Cij. أما فيما يتعلق بالخصائص البصرية، فقد قمنا بتقييم: ثابت العزل الكهربائي ε(ω)، ومعامل الانكسار n(ω)، ومعامل الامتصاص k(ω)، ومعامل الانعكاس α(ω)، ومعامل الانعكاس R(ω)، وطيف دالة فقد طاقة الإلكترون L(ω). تم أيضًا تحديد معلمات الشبكة، ومعامل الانضغاط، والسعات الحرارية (Cv) و (Cp)، بالإضافة إلى درجة حرارة ديباي، في نطاق درجة الحرارة من 0 إلى 1000 كلفن، بينما تم تحليل تأثير الضغط في نطاق من 0 إلى 10 جيجا باسكال.