Propriétés des matériaux ZnO, MgO CdO, MgxZn1-xO et effets de polarisation

Dans ce travail nous nous intéressons aux oxydes II-VI ZnO, MgO, CdO et MgxZn1-xO, ces matériaux ont une largeur de bande interdite intéressante allant de Eg (CdO)=2.28 eV (λ=0.54μm) à Eg (MgO)=7.7 eV (λ=0.16μm), donc ils couvrent un large domaine de longueur d’onde du vert du spectre visible à l’ultraviolet (UV) .

De même, ces oxydes sont à la base de plusieurs applications optoélectroniques tels que les diodes électroluminescentes (LED), et les diodes laser (LD), en outre ils sont des bons candidats pour le couplage électro-optique et électromécanique élevée [1].

Ces matériaux sont similaires aux nitrures III-V, même plus intéressants car les monocristaux ZnO sont disponibles, ils peuvent êtres facilement fabriqués et utilisés comme des substrats pour la croissance des dispositifs à couche minces, ceci facilite la production de films de bonne qualité sen utilisant l’homoépitaxie. De plus, l’énergie de liaison de l’exciton de ZnO (60 meV) est deux fois plus grande que celle de GaN [2] .

Cependant, contrairement aux nitrures III-V, les composés binaires (ZnO, MgO et CdO) n’ont pas la même structure cristalline à l’équilibre thermodynamique où ZnO cristallise dans la phase Würtzite tandis que MgO et CdO adoptent la structure Rocksalt, cela résulte un alliage MgxZn1- xO de structure métastable.

En raison de sa structure Würtzite, ZnO présente des effets de polarisation interne spontanée à l’équilibre thermodynamique et piézoélectrique en présence d’un champ électrique externe ou une contrainte mécanique.

Ces effets de polarisation sont considérés comme des effets néfastes pour plusieurs composants électroniques comme les lasers, les transistors et les diodes, à base des oxydes II-VI à grand gap, parce qu’ils se traduisent par une réduction plus au moins importante des performances des composants électroniques et optoélectroniques associés et un vieillissement voire une réduction drastique de leurs durée de vie.

La compréhension de l’origine de ces phénomènes de polarisation spontanée et piézoélectrique ainsi que leur évaluation et leur quantification est très importante, car elles permettent de s’affranchir de ces effets néfastes, et aussi de les utiliser éventuellement dans certaines applications particulières comme en optique non linéaire ou en photonique par exemple.

A cet effet nous procédons dans ce travail à une étude théorique ab-initio de l’origine ces effets de polarisation interne dans les cristaux à structure Wurtzite d’une part, et d’autre part nous avons effectué un calcul ab-initio des propriétés structurales et électronique des oxydes II-VI: ZnO, MgO, CdO et MgxZn1-xO, en utilisant le code WIEN2k de méthode de calcul des Ondes Planes Augmentées Linéarisées à Potentiel Totale (Full Potential Linéarized Augmented Plane Waves) FP LAPW qui est parmi les techniques les plus précise pour le calcul de structure cristalline , elle est basée sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (Density Functional Theory) DFT, cette théorie est devenue essentiel pour l’étude des matières condensées à l’échelle atomique à l’aide des principes de la mécanique quantique [3].

Les matériaux semi-conducteurs II-VI à grand gap ont un grand intérêt pour les applications électroniques et optoélectroniques [1]. Notre étude est consacrée aux oxydes II-VI suivants : l’Oxyde de Zinc ZnO, l’Oxyde de Magnésium MgO, l’Oxyde de Cadmium CdO et l’alliage ternaire MgxZn1-xO, ces matériaux ont des propriétés structurales et électroniques très intéressantes, particulièrement ZnO en raison de sa structure Würtzite différente de celle de MgO et CdO qui se cristallisent à l’état stable dans la structure Rocksalt, en outre ZnO présente une énergie de liaison des excitons importante (60meV) et une largeur de bande interdite qui peut être diminué ou augmenté par alliage avec CdO ou MgO respectivement [2]. La structure Würtzite de ZnO lui permet aussi d’avoir une polarisation spontanée et piézoélectrique importante.

Propriétés des binaires:

Propriétés du Monoxyde de Zinc (ZnO)

Propriétés cristallines et structurales de ZnO:
Le monoxyde de Zinc ZnO comme la plupart des composés binaires II-VI peut se cristalliser en deux structures cristallines, la structure Würtzite  qui est la structure la plus stable thermodynamiquement dans les conditions ambiantes  , et la structure Zinc Blende , cette structure est métastable se stabilise uniquement par la croissance sur des substrats cubiques comme ZnS, GaAs/ZnS et Pt/Ti/SiO2 /Si [3].

ZnO peut être aussi cristallisé dans la structure Rocksalt  qui ne peut être obtenue que par transition de phase de ZnO Würtzite par l’application d’une pression hydrostatique externe élevée égale environ 10 GPa [3].

La structure Würtzite de ZnO a une symétrie hexagonale, elle est composé de deux sous réseaux hexagonaux décalés le long de l’axe c d’un paramètre interne u , l’un de ces deux réseaux est formé par les atomes d’oxygène et l’autre par les atomes de Zinc, de telle sorte que chaque atome Zn est entouré par un tétraèdre d’atomes O et vise versa [3].

Propriétés de bande de ZnO:
La bande interdite (le gap) est une caractéristique essentielle de chaque matériau, elle représente la valeur d’énergie entre le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence dans une structure de bande.

Propriétés du Monoxyde de Magnésium (MgO) :

Propriétés cristallines et structurales de MgO :
Le composé binaire MgO se cristallise dans la structure Rocksalt à l’équilibre thermodynamique qui est la structure la plus stable [6].

Le monoxyde de magnésium en Rocksalt a une structure de réseau cubique à faces centrées avec un seul paramètre de maille a=4.254 Å [6] où la base est formée par un atome d’Oxygène O et un atome de Magnésium Mg séparés par une demi de diagonale de cube de sorte que chaque atome de Mg est entouré par six atomes de O et vise versa [7].

Propriétés de bande de MgxZn1-xO : 

Les alliages des semi conducteurs permet d’avoir d’autres matériaux avec de nouveaux gap donc on peut accéder à d’autre propriétés des matériaux pour optimiser et développer les applications des dispositifs semi-conducteurs [11].

Hétérostructure ZnO/MgxZn1-xO :

L’hétérostructure à puits quantique ZnO/MgxZn1-xO est une superposition du composé binaire ZnO et l’alliage ternaire MgxZn1-xO.