Introduction générale

1. Introduction générale

2. Introduction générale
Introduction générale :
L’extension naturelle dans la recherche de nouveaux semi-conducteurs, était d'examiner les
composés ternaires présentant un analogue de la structure diamant ou de la coordination
tétraédrique. Goodman et Douglas (1954) [1] ont discutés la possibilité de la semi-
conductivité dans les composés I-III-VI2 (chalcopyrites ternaires) qui étaient synthétisés un an
plus tôt par Hahn et al (1953) [1]. De son coté, Goodman (1957) [1] a montré en outre que la
substitution des atomes ordonnés des groupes II et IV pour les atomes du groupe III dans les
composés III-V peuvent préparer de nouveaux composés semi-conducteurs de type II-IV-V2
[1]. La découverte du laser et l'intérêt particulier vers les matériaux électroluminescentes à la
fin des années 1950 et au début des années 1960, ont stimulé et renouvelé les efforts de
recherche concernant ces matériaux. Un intérêt particulier de chercheurs Russes. À cette
époque, les études visant à comprendre la structure électronique et élucider les propriétés
optiques non linéaires de ces matériaux, avec l'espoir de produire un matériau, exige la
présence de monocristaux de haute qualité. Beaucoup de ces matériaux sont difficiles à
produire sous la forme de grands cristaux de haute qualité, et ils l’ont seulement été au cours
des quelques dernières années grâce à l’effort de certains chercheurs [1]. Les chalcopyrites
ternaires sont aujourd'hui largement utilisés comme couche absorbante dans les cellules
solaires à couches minces [2-5], comme cristaux non Centro-symétriques pour l'optique non
linéaire [6,7] et dans la conversion de fréquence optique, application sur les systèmes laser
[8]. Cet intérêt est dû au fait que de tels cristaux ont d'excellentes propriétés optiques. Ainsi,
une connaissance plus précise des propriétés optoélectroniques de ce matériau reste essentielle
pour la conception et la fabrication de nouveaux dispositifs électroniques et électro-optiques.
En outre, une analyse précise de ces propriétés peut jouer un rôle important dans la
détermination de certaines propriétés de leurs alliages par élaboration de leur gap. Les semi-
conducteurs chalcopyrites Cu (Ga, In) (S, Se)2 sont l'un des candidats prometteurs pour cette
tâche [9]. Les matériaux de cette famille se cristallisent dans la structure tétragonale avec le
groupe d’espace I4-2d. Le diséléniure de cuivre et de gallium (CuGaSe2) par exemple, a attiré
l'attention de nombreux théoriciens et physiciens expérimentateurs grâce à ses applications en
optique non linéaire [2-10], diodes électroluminescentes et comme matériau absorbeur
prometteur pour la production de cellules solaires à haut rendement [2-13].
Dans leur étude comparative, Jaffe et Zunger [14] ont utilisé l'approche PVMB pour analyser
les tendances chimiques dans la structure électronique des matériaux CuAlS2, CuGaS2,
CuInS2, CuAlSe2, CuGaSe2 et CuInSe2.

3. Introduction générale
Gonzalez et Rincon [15] ont étudié l'absorption optique de trois monocristaux CuInTe2,
CuGaS2 et CuGaSe2 élaborés par la technique de Bridgman et le transport chimique de
vapeur.
Pour une compréhension fondamentale de la structure électronique et par conséquent des
propriétés des matériaux, les théoriciens ont développé des méthodes basées sur des modèles
dits: semi-empiriques. De tels modèles comportent souvent de nombreux paramètres
ajustables aux données expérimentales. D’autres méthodes de calcul plus rigoureuses et plus
sophistiquées dites ab-initio, basées sur la théorie quantique fondamentale, utilisent seulement
les constantes atomiques comme paramètres d’entrées pour la résolution de l’équation de
Schrödinger. Ces méthodes sont devenues aujourd’hui un outil de base pour l’étude des
propriétés structurales, électroniques, mécaniques, optiques,… des molécules et des
matériaux. Elles sont aussi un outil de choix pour l'étude de certains effets difficiles ou
impossibles de déterminer par voie expérimentale et pour la prédiction de nouveaux
matériaux, et elles ont parfois pu remplacer des expériences très coûteuses ou même
irréalisables en laboratoire.
La puissance des calculs ab-initio a pour origine le formalisme de la théorie de la
fonctionnelle de densité (DFT) et ses deux approximations de l’énergie d’échange et de
corrélation : l’approximation de la densité locale (LDA) et l’approximation du gradient
généralisé (GGA). Le formalisme de base de la DFT est basé sur le théorème de Hohenberg et
Kohn (1964) [16], qui repose sur la considération que l’énergie totale d’un système est une
fonctionnelle de la densité électronique.
Parmi les méthodes ab-initio, la méthode (FP-LAPW) (Full Potentiel Linearized Augmented
Plane Wave) est l’une des plus précises, actuellement, pour le calcul de la structure
électronique des solides dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).
Le but de ce travail est d’étudier les propriétés structurales, électroniques et optique de
composé CuGaSe2 et de tester l’efficacité et la précision de la méthode utilisée et cela en
comparant nos résultats aux données expérimentales et théoriques disponibles dans la
littérature.
Le manuscrit est organisé en quatre chapitres principaux comme suit:
Dans le premier chapitre nous présentons les matériaux étudiés, les travaux concernant leurs
applications et des informations cristallographiques.

4. Introduction générale
Le second est consacré aux outils théoriques :
1. La théorie sur laquelle sont basés nos calculs de structures
électroniques à savoir la théorie de la fonctionnelle de la
densité (DFT). On présente : l’équation de Schrödinger,
l’approximation de Born-Oppenheimer, et l’approximation
de Hartree-Fock et les équations de Kohn et Sham, les
approximations de la densité locale et du gradient généralisé
et la méthode de la résolution des équations de Kohn et
Sham.
2. Et nous rappelons le principe de la méthode des ondes planes
augmentées linéarisées (FP-LAPW).
Ensuite, dans le troisième chapitre nous détaillons les paramètres de calcul de la structure
électronique. La section résultats et discussion est divisée en quatre sous-sections traitant
respectivement des propriétés électroniques, optiques.
Le document se termine par une conclusion générale qui regroupe tous les principaux résultats
de ce travail et des perspectives.