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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE « Dr. TAHAR MOULAY » DE SAIDA FACULTE DES SCIENCES MEMOIRE Présenté en vue de l’obtention du diplôme de MASTER Spécialité : PHYSIQUE Option : Physique des Rayonnements Par Hadj Mezouar Sur le thème Soutenu le ../06/2019 devant le jury composé de : Mr. Zemouli Mostefa Président M.C.A U . Saida Mr. Boutaleb Miloud Rapporteur M.C.A U . Saida M. Boutaleb Habib Examinateur M.C.A U . Saida Melle. Saadaoui Fatiha. Examinateur M.A.B U . Saida Année Universitaire 2018 – 2019 Etude comparative de caractère demi-métallique dans les semi-conducteurs magnétiques dilués type BP et InP. ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… …………………. Remerciement بسم هللا الرحمن الرحيم والصالة و السالم علي رسول هللا « فاذكروني اذكركم واشكروا لي وال تكفرون » قال تعالي Ce travail de recherche a été réalisé au département de physique, à la faculté de Sciences de l’université Dr. TAHAR MOULAY SAIDA. D’abord, je remercié Dieu le tout puissant. C’est grâce à lui que j’ai la force pour accomplir ce travail. J’adresse mes plus vifs sentiments de gratitude à mon encadreur M.BOUTALEB, Maitre de conférence à L’université de Saida, pour me proposer le sujet de fin de formation et ensuite accepter la supervision, pour ses Précieux conseils, ses incessants encouragements et Surtout sa grande disponibilité tous au long de la réalisation de ce travail. Je le remercie pour la Confiance qu’il m’a témoignée. Mes remerciements vont également à tous les membres de jury et à tous ceux qui ont participé de prés. A vous mes parent, je dis un immense merci. Je vous Suis infiniment reconnaissent pour votre soutien et vos encouragements. Je remercie également mes frères et sœurs, ainsi que Mes amis, ceux et celles-là que je porte dans mon cœur, Et qui m’ont toujours encouragée supporté moralement ; voilà j’en ai terminé mais si vous n’avez pas tout là, Tout peut se résumer en ces quelques mots : Merci à tous pour votre présence et votre soutien Indéfectible. Dédicace Grâce à mon Dieu Je dédié ce travail Aux personnes les plus chères dans ma vie : Aux deux bougies qui éclairées dans ma vie : ma mère et mon père, qui m’ont toujours entouré et motivé à sens cesse devenir meilleur. A Mes frères et Mes sœurs. Mes amis qui ont toujours été à ma côté et avec qui j’ai partagé les meilleurs moments, de ma vie « Salih, Ikram, Zohra,fadila, fettah ,mohammed ,mohammed, maamer ». A tous les professeurs de l’université de Saida et spécialement mon Encadreur Mr : Boutaleb Miloud. A celui qui était avec moi par son encouragement et m’aidé à la réalisation de ce travail. A tous mes collègues la promotion de physique des Rayonnements 2018-2019. Mezouar hadj. Table des matières Table des matières Remerciement Dédicaces Liste des figures Liste des tableaux Liste des abréviations Introduction général Bibliographies CHAPITRE I Les semi-conducteurs III-V à base de phosphore I.1 : Introduction…………………………………………………………………….... 5 I.2 : Les différents types des matériaux………………………………………………. 5 a. Conducteurs…………………………………………………..……………….. 5 b. Isolants……………………………………………………………………….... 5 c. Semi-conducteurs……………………………………………………………....... 5 I.3 : La bonde de valence (BV) et la bande de conduction (BC)……………………… 6 I.4 : Électrons de valence……………………………………………………………...... 6 I-5 : L’énergie de GaP………………………………………………………………...... 7 I.6 : Les Cristaux et les types des liaisons…………………………………………….... 8 I.6.1 : Les liaisons covalentes……………………………………………………… 8 I.6.2 : Les liaisons ioniques………………………………………………………… 8 I.6.3 : Les liaisons métalliques…………………………………………………...… 9 I.6.4 : Les liaisons de Van-Der-Waals………………………………………...…… 9 I.7 : Les différents types des semi-conducteurs ……………………………...………… 9 I.7.1 : Les semi-conducteurs intrinsèques ………………………….……………… 9 I.7.2 : Les semi-conducteurs extrinsèques………………………….……………… 9 I.8 : Les différents groupes des semi-conducteurs…………………………..………… 10 I.8.1 : Les Semi-conducteurs IV……………………….……………..…………… 10 I.8.2 : Les semi-conducteurs II-VI: ………………...……………………………… 10 I.8.3 : Définition des Semi-conducteurs III-V………………………...…………… 11 I.9 : Les différents types des composés des S/C III-V…………..……………………… 12 I.9.1 Les composés binaires………………………………...………………...…… 13 I.9.2 : Les composés ternaires et quaternaires : ………………………………………………………… 14 I.10 : D’finitions des matériaux étudiés………………………………………………… 15 Table des matières I.10.1 : Définition de phosphure d’indium InP……………………...……………. 15 I.10.2 : Définition de phosphure de bore BP ……………………………………… 15 I.10.3 : Définition de Vanadium (l’élément de dopage) ……………………...…… 15 I.11 : Propriétés physiques des semi-conducteurs III-V. …………………………..….. 16 I.11.1 : Le paramètre de maille (a) ………………………………………………… 16 I.11.2 : structure wurtzite : ………………………………………………………… 17 I.11.3 : structure Zinc-Blende : ……………………………………………………. 17 I.11.4 : Le réseau réciproque et la première zone de Brillouin…………………….. 18 I.11.5 : Les propriétés des deux maille ( ZnS blende et wurtzite )………………... 19 I.12 : Propriétés électroniques…………………………………………………………... 19 I.12.1 : Structure électronique du phosphore (P) …………………………………. 19 I.12.2 : Structure électronique de bore B et indium In……………………………. 20 I.12.3 : L'hybridation des orbitales atomiques …………………………………….. 21 I.12.4 : Gap direct et indirect…………………………………………………….… 22 I.12.5 : Structure de bonde d’énergie………………………………………….…… 22 I.13 : Conclusion………………………………………………………………………... 23 Bibliographie…………………………………………………………………………..... 24 CHAPITRE II Spintronique et semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS)s. II.1 : Introduction…………………………………………………………..…………… 27 II.2 : La Spintronique…………………………………………………………………… 28 II.2.1 : Le spin……………………………………………………………………… 28 II.2.1.1 : L’historique de spin…………………………………………………… 30 II.2.1.2 L'injection de spin……………………………………………………… 30 II.2.2 : La spintronique……………………………………………...……………… 31 II.2.2.1 : L’historique de la spintronique…………………………………………….………………… 31 II.2.2.2 : Les quatre pierres angulaires de la spintronique……………………… 32 II.2.3 : La magnétorésistance géante(GMR) : ……………………………………... 33 II.2.3.1 : Applications de la magnétorésistance géante………………………… 34 II.2.4 : La magnétorésistance Tunnel (TMR)……………………………………… 35 II.2.4.1 : Applications de la magnétorésistance Tunnel (TMR) :……………… 35 II.3 : Les semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS) ……………………………….. 36 II.3.1 : Définition : ………………………………………………………………… 36 II.3.2 : Familles de semi-conducteurs magnétiques……………………………...… 36 II.3.3 : Les types de dopage……………………………………...………………… 37 Table des matières 1. .Dopage de Type N…………………………………………………………. 37 2. Dopage de Type P………………………………………………………….. 37 II.3.4 : Les Atomes donneurs et accepteurs ……………………………………….. 37 II.3.5 : Les déférents groupes de DMS…………..………………………………… 38 II.3.5.1 : Les DMS à basé des semi-conducteurs III-V…………………………. 38 II.3.6 : Champ cristallin………………………………………………….………… 39 II.3.6.1 : Levée de dégénérescence……………………...……………………… 40 II.3.6.2 : Champ cristallin octaédrique…………………..……………………… 40 II.3.6.3 : Champ cristallin tétraèdre…………….………….…………………… 41 II.3.7 : La température de Curie………………….………………………………… 42 II.4 : Conclusion………………………………………………………………………… 43 Bibliographie…………………………………………….……………………………… 44 CHAPITRE III Méthodes de calcul III.1 : Introduction………………………………………………………….…………… 47 III.2 : La théorie de la Fonctionnelle de la Densité……………………………………... 47 III.3 : Approximation de Born-Oppenheimer………………………………………… 48 III.4 : Approximation de Hartree (Approximation des électrons indépendants)………. 49 III.5 : Approximation de Hartree-Fock…………………………………………….…… 51 III.5.1. Déterminant de Slater……………………………………………………… 51 III.6 : la méthode des ondes planes linéairement augmentées (FP-LAPW)……………. 53 III.6.1. La méthode des ondes planes augmentées (APW)………………………… 53 III.6.1.1. Historique de la méthode des Ondes Planes Augmentées (APW)……. 53 III.6.1.2 : Principe de la méthode des Ondes Planes Augmentées (APW)……... 54 III.6.2 : La méthode des ondes planes augmentées linéarisées (LAPW)…………... 56 III.6.2.1 : Les avantages de la méthode LAPW par rapport à la méthode APW ….. 58 III.6. 3 : Le principe de la méthode FP-LAPW……………………………………. 58 III.7 : Rôles des énergies de linéarisation (El) …………………………………………. 59 III.8 : Le code WIEN2k………………………………………………………………… 60 III.9 : l’approximation du gradient généralisé(GGA) …………………………………. 61 III.10 : conclusion………………………………………………………………………. 62 Bibliographie……………………………………………………………………………. 63 CHAPITRE IV Résultats de calcul et interprétations IV.1 : Introduction……………………………………………………………………… 65 IV.2 : Propriétés structurales………………………………………………….………… 65 IV.2.1 : Paramètres d’équilibre…………………………………………………….. 67 Table des matières IV.3 : Propriétés électroniques……………………………..…………………………… 68 IV.3.l : Structure de bandes………………………………………………………… 69 IV.3.2 : Densités d’états électroniques (D.O.S) …………………………………… 73 IV.4 : Propriétés magnétiques des composés…………………………………………… 77 IV.4.1 : Magnéton de Bohr………………………………………………………… 77 IV.5 : Conclusion………………………………………………..……………………… 78 Bibliographie………………………………………………………………………….… 79 Conclusion générale…………………………………………………………………….. 81 Liste des figures CHAPITRE I Les semi-conducteurs III-V à base de phosphore Figure I.1 : Structure en bandes d’énergie des matériaux ; isolants, semi-conducteurs et métaux . …………………………………………………………………………………………………………………………………… 7 Figure I.2 : évolutions de l'énergie de bande interdite et du paramètre cristallin des alliages de composés III-V . …………………………………………………………………………………………………… 14 FigureI.3 : la structure de wurtzite. ……………………………………………………………………………………… 16 Figure I.4 : Structure cristalline de phosphure d’indium et le phosphure de bore dans la maille de zinc blende. ……………………………………………………………………………………………..……………… 17 Figure I.5 : a) première zone de Brillouin d'un cristal Zinc-Blende, b) plans et directions cristallographiques d'un substrat de InP. ……………………………………………………………………………… 18 Figure I.6 : L’hybridation des orbitales atomiques de type SP3. ………..……………………………… 20 Figure I.7 : La structure des bandes d’énergie: gap direct et gap indirect……………………….… 21 Figure I.8 : structure de bandes du phosphure de bore à gap indirect et le phosphure d'indium à gap direct. ……………………………………………………………………………………………………………… 22 CHAPITRE II Spintronique et semi-conducteurs magnétique dilué (DMS)s Figure II.1: Représentation de : (a) spin up, (b) spin down. ………………………………………………. 29 Figure II.2 : Expérience de Stern et Gerlach. ……………………………………………………………………… 30 Figure II.3 : Les dispositifs de l’électronique de spin ………………………………………………………. 32 Figure II.4 : Magnétorésistance géante spin-valve……………………………………………………………... 34 Figure.II.5- Principe de la TMR pour une jonction tunnel magnétique . ………………………….. 35 Figure II.6 : (a) Semi-conducteurs où les éléments magnétiques forment un réseau périodique. (b) Semi-conducteurs traditionnels sans éléments magnétiques(c) Semi- conducteurs magnétiques dilués où les éléments magnétiques sont répartis d’une 37 Liste des figures manière aléatoire . …………………………………………………………………………………………………………………… Figure II.7 : Structures cristallines . …………………………………………………….. 39 Figure II.8: Disposition spatiale des cinq orbitales. …………………………………….. 40 Figure II.9 : Influence du champ octaédrique sur les cinq niveaux d’énergie des orbitales d . ……………………………………………………………………………….. 41 Figure II.10 : Influence du champ uploads/Geographie/ memiore-de-physique-pdf.pdf