Study of the physical properties of zinc-based semiconductors ZnO1‑yXy (X=S, Se, Te), for optoelectronic applications

Abstract

في هذه الأطروحة، أجرينا دراسة نظرية حول الخصائص البنيوية والإلكترونية والبصرية والمرونية للسبائك الثلاثيةZnO1‑xSx،ZnO1‑xSex وZnO1‑xTexمن أجل x = 0.25, 0.5, 0.75بالإضافة إلى مركباتهم الثنائية ZnO، ZnS، ZnSeوZnTe. طبقت هذه الدراسة في البنية البلورية السداسية المعروفة باسم wurtzite. تمت هذه الحسابات باستخدام طريقة الأمواج الخطية المزيدة(FP-LAPW) وذلك باستعمال برمجية wien2k في إطار نظرية الكثافة الدالية (DFT). من أجل كمون التبادل والتعالق، تم استخدام تقريب الكثافة المحلية (LDA)، والتقريبين المبنيين على تقريب التدرج المعمم (PBE-GGA) و (WC-GGA). تم كذلك استعمال تقريب (TB-MBJ) لحساب الخواص الالكترونية بدقة أكبر. بالنسبة للخصائص البنيوية، نلاحظ أن المواد التي درسناها تظهر انحرافًا عن قانون فيجارد بالنسبة لثوابت الشبكة ومعامل الانضغاطية. أيضاً في الخصائص الإلكترونية، يمكننا ملاحظة أن قيم طاقة الفجوة الطاقية للمواد قد تم تحسينها بواسطة تقريب (TB-MBJ). ووفقًا لحسابتنا، جميع المواد المدروسة هي شبه موصلات ذات فجوة طاقية مباشرة. علاوة على ذلك، منحنيات الثوابت البصرية تنتقل نحو الطاقات الأدنى مع زيادة التركيز x. وفي الأخير، خلصنا إلى أن شروط الاستقرار لجميع المواد المدروسة تمت الامتثال لها وأنها مستقرة مرونياً في البنية السداسية.

Dans cette thèse, les propriétés structurales, électroniques, optiques et élastiques des alliages ternaires ZnO1‑xSx, ZnO1‑xSex et ZnO1‑xTex pour x = 0.25, 0.5 et 0.75 ont été étudiées théoriquement, ainsi que leurs constituants binaires ZnO, ZnS, ZnSe et ZnTe. La structure cristalline de la wurtzite était au centre de cette étude. Le package Wien2k, basé sur l'approche d'onde plane augmentée linéarisée à potentiel totale (FP-LAPW) dans les limites de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), a été utilisé pour effectuer les calculs. Le potentiel de corrélation d'échange a été abordé à l'aide de l'approximations de la densité locale (LDA), de Wu-Cohen (WC-GGA) et de de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE-GGA). Des calculs plus précis des propriétés électroniques ont été effectués à l'aide de la méthode du potentiel de Becke-Johnson (TB-mBJ). En termes de propriétés structurelles, nous découvrons que le module de compressibilité et les paramètres de maille s'écartent légèrement de loi de Vegard. De plus, les propriétés électroniques montrent que les matériaux étudiés ont amélioré les valeurs d’énergie de bande interdite en utilisant l’approximation (TB-mBJ). En outre, nos résultats démontrent que chaque matériau étudié est un semi-conducteur à bande interdite directe. De plus, les courbes des paramètres optiques se déplacent vers des énergies plus basses avec l’augmentation de composition x. Nous sommes également arrivés à la conclusion que chaque matériau étudié satisfait aux critères de stabilité et est élastiquement stable dans la structure Wurtzite.

In this thesis, the structural, electronic, optical and elastic properties of the ternary alloys ZnO1‑xSx, ZnO1‑xSex and ZnO1‑xTex for x = 0.25, 0.5 and 0.75 were studied theoretically, as well as their binary constituents ZnO, ZnS, ZnSe and ZnTe. The wurtzite crystal structure was the primary focus of this study. The Wien2k package, which is based on the full-potential linearized augmented plane wave (FP-LAPW) approach within the confinements of density functional theory (DFT), was utilized to perform the calculations. The exchange-correlation potential was addressed using the local density (LDA), Wu-Cohen (WC-GGA) and Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE-GGA) approximations. More precise electronic properties calculations were made using the Becke-Johnson potential (TB-mBJ) method. In terms of the structural properties, we discover that the bulk modulus and lattice constants deviates slightly from Vegard's law. Additionally, the electronic properties show that the materials under study have improved bandgap energy values using (TB-mBJ) approximation. Also, our findings demonstrate that every material under investigation is a semiconductor with direct bandgap. Furthermore, the optical parameters curves shift toward lower energies as the composition x increase. We also came to the conclusion that every material under study satisfies the stability criteria and is elastically stable in the Wurtzite structure.