Réexamen du comportement vibrationnel des alliages modèles GaAs(1-x)Px et Si(1-x)Gex : modèle de percolation et calculs ab initio

Reexamination of the vibrational behavior of the model GaAsP and SiGe alloys : percolation model and ab initio calculations

• Auteur / Autrice : Jihane Souhabi
• Direction : Olivier Pagès, Andreï Postnikov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/11/2010
• Etablissement(s) : Metz
• Ecole(s) doctorale(s) : SESAMES - Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPMD - Laboratoire de Physique des Milieux Denses - EA 3469
• Jury : Président / Présidente : Frank Glas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eugen Sheregii, Razvan Caracas, Aotmane En Naciri, Vitor Jose Badau Torres

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Spectres de vibration

Réflectance

Percolation (physique statistique)

Mots clés libres

Percolation

Réflectivité infrarouge

Siesta

Semiconducteurs

Phonons

Résumé

Le schéma générique de percolation 1-liaison→2-TO mis au point sur site pour la compréhension de base des spectres de vibration (Raman et infrarouge - IR) des alliages semiconducteurs aléatoires usuels, i.e., s’inscrivant dans la structure zincblende, qui a récemment supplanté le modèle standard 1-liaison→1-TO dit MREI [modified-random-element-isodisplacement, (Chang, et al., 1971)] mis au point dans les années soixante, est ici confronté au modèle à clusters (Verleur, et al., 1966), consacré par l’usage pour la discus-sion des spectres de vibration de ces alliages zincblende particuliers, présumés non aléatoires, qui montrent évidemment plus d’un mode phonon par liaison dans leur spectres de vibration. En fait, nous montrons que les spectres de réflectivité IR pionniers de l’alliage GaAs1-xPx représenta-tif de cette dernière classe de comportement, i.e. ceux-là mêmes qui ont motivé le développement du modèle à clusters dans les années soixante, trouvent une explication naturelle dans le cadre du modèle de percolation sur la base d’une substitution As ↔ P parfaitement aléatoire, sans aucun paramètre ajustable. L’alliage GaAs1-xPx et ses semblables se trouvent ainsi réhabilités en tant que systèmes aléatoires vis-à-vis de leurs propriétés vibrationnelles. Du même coup, la classification admise des spectres de vibration des alliages semiconducteurs à structure zincblende, basée sur les modèles MREI-Clusters, en quatre sous-types distincts, se trouve totalement unifiée dans le cadre de notre modèle de percolation. Dans un second temps nous explorons dans quelle mesure une extension du schéma de percolation de la structure zincblende vers la structure diamant, peut aider à comprendre la nature mystérieuse du comportement Raman de l’alliage aléatoire représentatif Si1-xGex. Il s’avère qu’une simulation satisfaisante des spectres Raman de Si1-xGex d’ores et déjà existants dans la littérature peut être accomplie, sans autre para-mètre ajustable que l’efficacité Raman de la liaison mixte Si-Ge, dans le cadre d’une version générique 1-liaison→N-mode du schéma de percolation, où N indique une sensibilité à l’environnement local des liaisons Ge-Ge (N=1, insensibilité), Si-Si (N=2, sensibilité à l’environnement premiers-voisins) et Si-Ge (N=3, sen-sibilité à l’environnement seconds-voisins). Des différences notables entre les schémas de percolation de GaAs1-xPx et de Si1-xGex sont attribuées à la différence de nature de la relaxation du réseau dans les cristaux à structure zincblende et diamant (inversion de l’ordre des branches au sein du triplet Si-Ge) et à la dispersion spectaculaire des modes Ge-Ge (antiparallélisme de la branche unique Ge-Ge) et Si-Si (inversion de l’ordre des branches au sein du doublet Si-Si), qui vient s’ajouter à l’effet de contrainte locale, habituellement seul pris en compte pour les alliages zincblende déjà examinés. L’assignation des branches phonons individuelles au sein de chaque schéma de percolation, i.e. GaAs1-xPx ou Si1-xGex, est réalisé par voie ab initio en se focalisant sur les modes de vibration des liaisons en stretching pur le long de motifs d’impuretés prototypes choisis quasi-linéaires de manière à rester dans l’esprit de l’approximation de la chaîne linéaire (ACL) sur laquelle est basé le modèle phénoménologique de percolation

The 1-bond → 2-TO percolation generic scheme proposed for the basic understanding of the vibra-tion spectra (Raman and Infrared –IR) of usual random semiconductor alloys with zincblende structure, which has recently challenged the standard MREI (modified-random-element-isodisplacement) model with the 1-bond→1-TO behavior, (Chang et Mitra, 1971) developped in the sixties, is here confronted to the cluster model (Verleur et Barker, 1966) which has been accepted through use for the study of the vibration spectra of these particular zincblende alloys, which obviously exhibit more than one phonon mode per bond in their vibration spectra. In fact, the IR reflectivity spectra of GaAs1-xPx, the representative alloy of the last class, i.e. those very ones which motivated the developpement of the cluster model in the sixties, find a natural explanation in the scope of the percolation model on the basis of a perfect random substitution As ↔ P, with no adjusta-ble parameter. With this, GaAs1-xPx and its like are rehabilitated as random alloys in principle, and further, the percolation paradigm generalizes to all types and subtypes of the traditional four-type classification of phonon mode behavior of semiconductor alloys, based on the MREI and cluster models. In a second stage, we investigate to which extent an extension of the percolation scheme to the di-amond structure may help to understand the mysterious nature of the Raman behavior of the representative Si1-xGex alloy. We realize that a good simulation of the Si1-xGex Raman spectra already existing in the literature can be obtained with no adjustable parameter but the Raman efficiency of the Si1-xGex bond within a generic 1-bond→N-TO version of the percolation model, where N indicates a sensitivity to the local environment of the Ge-Ge (N=1 non sensitive), Si-Si (N=2, sensitive to the first neighbor environment) and Si-Ge (N=3, sensitive to the second neighbor environment) bonds. Some differences between the GaAs1-xPx and Si1-xGex percolation patterns are attributed to the different natures of the lattice relaxation in the zincblende and di-amond structures (inversion of the order of like branches in the Si-Ge triplet) and to the spectacular disper-sion of the Ge-Ge like modes (anti parallelism of the unique Ge-Ge branch) and Si-Si (inversion of the order of like branches in the Si-Si doublet), which add to the local constraint effect, the only one usually taken into account in the zincblende alloys examined so far. The assignment of the individual phonons branches in each percolation scheme, i.e. GaAs1-xPx or Si1-xGex, is achieved via home-made ab initio phonon calculations with a focusing on bond-stretching along prototype impurity motives designed as quasi linear so as to be remain in with the spirit of the linear chain approximation on which the percolation model is based