Étude théorique des propriétés structurales, électroniques, optiques et thermodynamiques de l'alliage quaternaire BeMgZnO pour des applications optoélectroniques // Theoretical Study of the structural, electronic, optical and thermodynamic properties of the BeMgZnO quaternary alloy for optoelectronic applications

Abstract

خُصّص هذا البحث النظري لدراسة الخصائص الفیزیائیة المختلفة البنيوية، الإلكترونية، البصرية والديناميكية الحرارية للسبائك الرباعية BexMgyZn1-x-yO وللسبائك الثلاثية BexZn1-xO، MgxZn1-xOو.BexMg1-xO تمت الدراسة من أجل تراكيب مختلفة ( (x=0.25, 0.5, 0.75. بالإضافة إلى مركباتها الثنائية BeO، ZnO وMgO في البنية البلورية المكعبة المعروفة باسمZinc Blende . أجريت هذه الحسابات باستخدام طريقة الأمواج الخطية المتزايدة (FP-LAPW) المطبقة في برنامج Wien2kوذلك في إطار نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). واستُخدمت عدة تقريبات لطاقة التبادل والارتباط، من بينها تقريب الكثافة المحلية (PW-LDA)، والتقريبين المبنيين على تقريب تدرج الكثافة (PBE-GGA) و(WC-GGA). كما استعمل تقريب (TB-mBJ) لحساب الخواص الالكترونية بدقة أعلى. بالنسبة للخصائص البنيوية،لوحظ أن السبائك الثلاثية والرباعية المستهدفة تظهر انحرافًا عن قانون فيجارد بالنسبة لثوابت الشبكة ومعامل الانضغاطية نتيجةلاختلاف الأقطار الذرية للعناصر المكونة.أما بخصوص هيكلية التركيب الإلكتروني، فقد أظهرت السبائك المدروسة أنها عبارة عن مواد شبه موصلةذات فجوة طاقوية تتراوح من 2.73-5.24إلكترون فولت وفقا لتقريب (TB-mBJ). يشير هذا الى حدوث الامتصاص والانبعاث في المنطقة الفوق بنفسجية. مما يجعلها واعدة للتطبيقات البصرية والإلكترونية. من جهة أخرى، بيّنالتحليل البصري أن تغيرالتركيزين (x, y) يؤثرانعلى إزاحة منحنيات الثوابت البصرية نحو طاقات أعلى ضمن الظواهر الضوئية في المنطقة فوق البنفسجية. وفي الأخير، أظهرتالنتائج الديناميكية الحرارية أن السبائك المستهدفة تبقى مستقرة تحت تأثيرات درجة الحرارة والضغط العاليين.

This theoretical research is devoted to examining the physical characteristics, such as the structural, electronic, optical and thermodynamic properties of the quaternary alloys BexMgyZn1-x-yO and the ternary alloys BexZn1-xO, MgxZn1-xO and BexMg1-xOfor x = 0.25, 0.5 and 0.75, as well as their binary constituents BeO, ZnO, and MgO. This study was given in the cubic structure. The simulations were carried out using the Wien2k package, which depends on the full-potential linearized augmented plane wave (FP-LAPW) approach under the constraints of density functional theory (DFT).The calculations were made according to a series of approximations of the exchange-correlation potential, including the local density (PW-LDA), Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE-GGA) and Wu-Cohen (WC-GGA) approximations. The Becke-Johnson potential (TB-mBJ) method was also relied upon to calculate the electronic properties with high accuracy. Regarding the structural characteristics, it has been observed that ternary as well as target quaternary alloys deviate slightly from Vegard's law in relation to the lattice constants and bulk modulus due to the different atomic radii of the component elements which leads to structural distortion versus compositional variations. The studied alloys showed that they are semiconductors with a direct wide bandgap ranging from 2.73-5.24 eV according to the approximation of (TB-mBJ). This indicates the occurrence of absorption and emission in the ultraviolet region, which makes this type of material promising for the manufacture of optoelectronic devices. Besides, optical analysis reveals that the increased concentrations (x, y) enhance the optical parameters, as the curves of the optical parameters shift toward higher energies, meaning the occurrence of optical phenomena in the ultraviolet region. Finally, based on the thermodynamic results, we concluded that the target alloys can operate under harsh conditionsof temperature and pressure.

Cette recherche théorique est consacrée à l’examen des caractéristiques physiques, structurelles, électroniques, optiques et thermodynamique des alliages quaternaires BexMgyZn1-x-yO and BexZn1-xO, MgxZn1-xO et BexMg1-xO pour x = 0.25, 0.5 et 0.75, ainsi que leurs constituants binaires BeO, ZnO et MgO. L’étude a été menée dans une structure cristalline appelée zinc blende. La simulation a été effectuée à l’aide du package Wien2k, basé sur l’approche des ondes planes augmentées linéarisées à potentiel complet (FP-LAPW), dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Les calculs ont été effectués selon une série d'approximations du potentiel d'échange- corrélation, y compris la densité locale (PW-LDA), Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE-GGA) et Wu-Cohen (WC-GGA). La méthode Becke-Johnson potentiel (TB-mBJ) était également invoquée pour calculer les propriétés électroniques avec une grande précision. En ce qui concerne les propriétés structurelles, il a été observé que les alliages ternaires ainsi que l’alliage quaternaire étudié présentent un léger écart par rapport à la loi de Vegard pour la constante de maille et le module de compressibilité, dû aux différences de rayons atomiques entre les constituants, ce qui induit une distorsion structurelle en fonction de la composition. Les alliages étudiés ont montré qu’il s’agissait de semiconducteurs avec une large bande directe allant de 2.73-5.24 eV selon l’approximation de (TB-mBJ).Cette caractéristique traduit la présence d’absorption et d’émission dans la région ultraviolette, rendant ces matériaux prometteurs pour la fabrication de dispositifs optoélectroniques. De plus, l’analyse optique révèle qu’une concentration accrue (x, y) agit pour transférer les courbes des paramètres optiques vers des énergies supérieures, ce qui signifie l’apparition de phénomènes optiques dans la région ultraviolette. Enfin, sur la base des résultats thermodynamique, nous avons conclu que les alliages cibles sont susceptibles de fonctionner dans des conditions extrêmes de température et de pression