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Ce travail de recherche est consacré au problème du magnétisme dans les systèmes qui ne contiennent pas des éléments de métaux de transition ou de terres rares. En fait, le magnétisme basé sur les électrons p a été seulement expérimentalement observé et/ou théoriquement prédit d'exister dans un certain nombre de matériaux.
A cet effet, des calculs de premiers-principes ont été utilisés pour étudier les propriétés structurales, vibrationnelles, élastiques, mécaniques, thermodynamiques, magnétiques et électroniques des composés binaires de la famille IIA–X (IIA= Ca, Sr, Ba, and X=C, N) dans différentes phases (rock-salt (NaCl), CsCl, zinc-blende (ZB), NiAs- et WZ-de type hexagonale, tetragonale (P4/nmm) et orthorombique (Pnma)) en utilisant la méthode des ondes planes linéairement augmentées et à potentiel total (FP-APW+lo). L'énergie d'échange et de corrélation a été décrite avec l'approximation de gradient généralisée (GGA-PBEsol) et l'approche modifiée de Becke-Johnson (mBJ).
Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux aspects structuraux où une étude de la stabilité des composés nitrures (CaN, SrN et BaN) et carbures (CaC, SrC et BaC) dans les différentes phases a été entamée en adoptant les deux configurations de spin, non spin-polarisée (NSP) et spin-polarisée (SP) pour chaque phase. On a déterminé les paramètres de réseau, le module de compressibilité, sa dérivée et le moment magnétique total et par atomes.
Les propriétés structurales calculées sont comparables aux autres résultats théoriques. Nous avons constaté que l'état fondamental ferromagnétique est la configuration la plus stable pour les composés CaN et SrN dans la phase NaCl, tandis que la phase la plus stable pour les composés CaC et SrC est la configuration non magnétique dans la phase CsCl. Nous avons également constaté que les deux composés BaN et BaC ont une configuration de l'état fondamental ferromagnétique dans la phase Pnma.
Nos constantes élastiques Cij calculées pour les phases Pnma (pour BaN et BaC uniquement), NaCl, ZB et WZ répondent aux critères de stabilité élastique. Cela indique que les phases considérées sont élastiquement stables. De plus, nous avons constaté que les matériaux sont ductiles selon les critères de Pugh.
En considérant la dynamique des phonons des composés CaX, SrX et BaX (X = N, C) dans les phases NaCl, WZ et ZB, nous avons constaté que les composés SrN, BaN, CaC, SrC et BaC sont dynamiquement stables dans les phases NaCl et ZB en raison de l'absence de modes imaginaires dans la dispersion de phonons. Cependant, le composé CaN dans les phases NaCl et ZB est dynamiquement instable en raison de la présence de modes imaginaires trouvés autour des branches de phonons acoustiques les plus basses au point X. Dans la phase WZ, tous les composés ont des modes imaginaires au point Γ. Cela indique que ces composés dans la phase WZ sont
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dynamiquement instables. Nous avons aussi prédit une nouvelle phase, qui est la phase Pnma pour les composés BaN et BaC. Cette nouvelle phase s’est révélée être élastiquement et dynamiquement stable.
Les courbes de dispersion des phonons des composés SrN, BaN, CaC, SrC et BaC exhibent un gap entre les branches de phonons optiques et acoustiques dans les phases NaCl et ZB. Les courbes de dispersion de phonons des composés BaN et BaC présentent également un gap dans la phase Pnma. Nous avons montré que la variation de la capacité calorifique à volume constant Cv des composés SrN, BaN, CaC, SrC et BaC dans les phases Pnma (pour BaN et BaC uniquement), NaCl et ZB augmente avec la température et approche la limite de Dulong-Petit à haute température. Les nitrures sont plus sensibles à la variation de la température que les carbures.
Nous avons constaté que les composés nitrures et de carbures sont des ferromagnétiques demi-métalliques dans les phases Pnma (pour BaN et BaC uniquement), NaCl et ZB. L'utilisation de mBJ-GGA-PBEsol par rapport à l'approximation GGA-PBEsol entraîne un changement radical de la structure électronique de ces composés. Pour tenir compte des corrections du moment magnétique, du gap fondamental et du gap demi-métallique, nous avons étalé notre étude l’utilisation de l’approximation mBJ GGA-PBE. L’impact de cette approximation sur les structures de bandes et les densités d’états est remarquable.
L’approximation mBJ GGA-PBEsol a donné une meilleure description des propriétés magnétiques et électroniques et par conséquent des meilleures valeurs du moment magnétique et du gap (fondamental et demi-métallique) qui sont compétitifs à ceux calculés par d’autres approximations hybrides ou la méthode GW. L’absence des résultats expérimentaux indique que les nôtres restent prédictifs. L'approximation mBJ-GGA-PBEsol corrige les valeurs des gaps des bandes d’énergies et des gaps demi-métalliques des états de spin haut. Dans les états de spin haut, les composés nitrures (CaN et SrN) et carbures (CaC et SrC) présentent un gap indirect dans les phases NaCl et ZB. Il a été aussi constaté que les composés BaN et BaC présentaient un gap direct dans les phases Pnma et NaCl et un gap indirect dans la phase ZB.
Nous avons démontré que le magnétisme peut être induit par des éléments non magnétiques légers à base d’alcalino-terreux tels que N et C, dans les phases Pnma (pour BaN et BaC seulement), NaCl et ZB, produisant respectivement des moments magnétiques totaux de 1
µ
B et 2µ
B dans les composés nitrures et carbures. Le caractère magnétique de ces composés est principalement attribué aux orbitales 2p partiellement remplies des atomes de N et de C.Nous avons également expliqué la liaison chimique de ces composés dans les phases NaCl et ZB à travers l’analyse de la densité de charge de valence, en utilisant l’approximation GGA-PBE. A travers le calcul de la densité de charge, on remarque que ces composés sont fortement ioniques et
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que la densité de spin est bien localisée au niveau des sites d’azote et de carbone qui sont plus électronégatifs que les trois autres éléments. Il est fort probable que l'ionicité de ces composés joue un rôle important pour le magnétisme.
Comprendre le ferromagnétisme de type p dans ces composés hypothétiques peut offrir de nouvelles possibilités pour le développement de nanostructures ferromagnétiques à base d’azote et de carbone. Notre travail reste très modeste en comparaison avec ce qui peut réellement être accompli expérimentalement mais il a le mérite de pouvoir être un point de départ pour des études plus complexes et plus poussées de systèmes de plus en plus compliqués. Les résultats obtenus nous encouragent à poursuivre cette voie. Une perspective intéressante sera d’aborder l’étude des super-réseaux et hétéro-structures de ces composés voyant la nature et les valeurs de gaps énergétiques induites.
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