Étude de l’influence de la structure du silicium poreux sur ses propriétés optoélectroniques

Abstract

Ce projet présente une étude des propriétés structurales, électroniques (structure de bandes et densité de charges) et optiques (fonction diélectrique, coefficient d’absorption, l’indice de réfraction et la réflectivité) du silicium massif et poreux représenté par quatre porosités (P = 3.12, 15.62, 28.12 et 40.62%) selon le modèle géométrique supercellule. Les calculs sont réalisés par le code CASTEP dans le cadre de la théorie fonctionnelle de la densité électronique (DFT) basée sur les approximations des pseudo-potentiels (PP) et des ondes planes (PW). La fonctionnelle d’échange et corrélation est traitée en utilisant l’approximation du gradient généralisée de Perdew-Burke-Ernzerhof (GGA-PBE). Nous avons étudié l’influence de la porosité sur les propriétés structurales, électroniques et optiques du silicium poreux toute en comparant à ceux du massif afin de comprendre les changements de ces propriétés lorsqu’il est réduit à des tailles nanométriques. L’optimisation géométrique indique une dilatation des supercellules, décrite par une augmentation des paramètres de maille en fonction de la porosité. En outre, une analyse de la structure des bandes électroniques montre que les quatre porosités étudiées possèdent une bande interdite directe. Les valeurs du gap des porosités 3.12, 15.62, 28.12, 40.62% sont respectivement de 0.735, 1.196, 1.792, 2,090 eV contrairement au silicium massif qui présente un gap indirect de valeur 0.622 eV. On note un élargissement dans la bande interdite qui varie en fonction de la porosité. Cet élargissement est dû à l’augmentation du confinement quantique dans la structure résultante et l’augmentation de la surface spécifique en fonction de la porosité. La comparaison des propriétés optiques nous a permis de constater que les spectres de la constante diélectrique réelle et imaginaire du silicium poreux PSi se distinguent de ceux du silicium massif grâce au changement de la morphologie du PSi et l’amplitude de ces derniers diminue lorsque la porosité augmente. Nous observons également un décalage du seuil d’absorption vers les hautes énergies avec l’augmentation de la porosité, ainsi qu’un déplacement des pics d’absorption vers des énergies plus élevées lorsque la porosité augmente (bleu-shift). Par ailleurs, l’indice de réfraction du silicium poreux est modulable et il varie sur un large intervalle entre le silicium massif (n=3.5) et celui de l’air (n=1)