Design des clathrates boro-siliciures semiconducteurs pour l'optoélectronique infra-rouge proche et lointain

Design of boro-silicide semiconductor clathrates for near- and far-infrared optoelectronics

• Auteur / Autrice : Fatma Sadmi
• Direction : Alexandre Courac
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie

Mots clés

Mots clés libres

Matériau opto-électronique

Semi-conducteur

Cristallographie

Haute pression

Haute température

In situ

Semiconductors

High pressure

In situ study

Crystallography

High temperature

Optoelectronic material

Résumé

L'objectif ultime de ce programme de doctorat est de synthétiser des clathrates de différents type structuraux (sI, sII, zéolite) contenant des cages B-Si. L'incorporation de bore dans le réseau original de cages de Si nous permettra de moduler (1) les propriétés mécaniques et (2) les propriétés optoélectroniques. Ainsi, le remplacement chimique du Si par B nous permettra d'améliorer la dureté et d'autres propriétés mécaniques. Selon nos estimations semi-empiriques, cela permettra d'augmenter la dureté jusqu'à la dureté du carbure de tungstène (CW) et même d'atteindre la limite des matériaux super-durs. La distribution aléatoire du bore sur la structure du Si, semblable à celle des semi-conducteurs fortement dopés (environ 17 % de B dans le Si), devrait modifier la structure de bandes, passant de celle des semi-conducteurs ordonnés à une structure aléatoire en 'queue de bande' couvrant une large gamme d'énergie pour l'émittance et l'absorbance. L'analyse détaillée des données expérimentales temps-pression-température-structure cristalline nous permettra également d'optimiser les conditions de synthèse. L'objectif fondamental de ce programme scientifique est d'établir et de comprendre les bases du comportement à haute pression des clathrates dopés au B, tandis que l'objectif appliqué consistera à synthétiser de nouveaux matériaux clathrates monophasés dotés de propriétés opto-électroniques et mécaniques avancées.

The ultimate objective of this PhD project is to synthesize clathrates of different structural type (sI, sII, zeolite) containing B-Si cages. The incorporation of boron into the original Si-cage network will allow us to impact (1) mechanical and (2) optoelectronic properties. Chemical replacement of Si by B will allow us to improve hardness and other mechanical properties, e.g. according to our semiempirical estimations up to tungsten carbide (WC) hardness and even to make them superhard. Random boron distribution over Si framework, similar to heavily doped semiconductors (similarly to ~17 at% of B in Si), is expected to change the very band structure from that of ordered semiconductors to random “band-tail” structure covering wide energy range in emittance and absorbance.The high-pressure transformations and/or melting will be studied by various up-to date experimental methods. The fundamental aim of this scientific program is to establish and understand the basics of high-pressure behavior of B-doped clathrates; while the practical aim will consist in the synthesis of novel single-phase clathrate materials with advanced opto-electronic and mechanical properties. The detailed analysis of the time-pressure-temperature-crystal structure data, among others, will allow us to optimize the conditions of synthesis.