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STRUCTURE DE BANDES DES COMPOSES BINAIRES III-V ET IV-fV

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Texte intégral

(1)

rl

SBo.

oo7

Rdpublique Argdrienne

Ddmocrati

q

ue et

popuraire

Ministdi..

d.,

I'

enseignement

supdrieur

f,

'scurr6desMarhdm-Y*:n:,:lt"*"r?*:1ffi

.:""".de,aMariire

D6partement des Sciences

de la

Matiire

Mdmoire.du

projet

de

fin

d,dtude

ndme _

z

annee

master

spdcialitd

:

prlysleu'

DE

LA MATIERE coNDENsEE

Prdsentd

par

:

Guenouf

Soumia

STRUCTURE DE BANDES

DES

COMPOSES

BINAIRES

III-V

ET

IV-fV.

Sous

Ia

Direction

de

:

DF.

S.

Djeroud

(2)

Dediectce

fe ffi{te

ce

memoire

di:

i{es

cddrsVarents.

fttesifreres

et

ti

ma

-reatr.

Toute

mafarniffr.

fous

mes

arrlk.

lour

qui

{o'nnent

une

contrifiutitn

fr

rdalTsation

ffi

Ce

mdmoire.

(3)

Remerciements

tre

tiens

a

remercier

trtr.A.Boufefel

professeur

d

l'universitd

de

Guelma

et

directeur

du

f

aborotoire

<<

LPG

>>,

Je

tiens d exprimer

mes

sincdres

remerciernents

d

mon

encadreur

modome

.S.Djeroud

moitre

de

conf,Lrence

d

l'universit6,

de

Guelmo

pour

ses

conseils

lelong

de ls rdolisotion de ce

travoil.

Je

tiens

d

exprimer

lgolernent

mq

reconnoissonce

d

Pr.B.Bennecer,

professeur d

f'universitd,

de

6uefmo.

Pr.N.Boukhorouba

,

professeur

d

f'universitd,

de

Guelmo. Dr.F.Kolorosse

mo?tre

de

conf6rence

d

f'univensit+d,

de

6uelrna.

Dr.

K.Zonct

mc?tre

de

conf6rence

a

l'universit

6,

de

Guelmo.

Je

tiens

oussi

d

remercier

tous

les

membres

du

lsborotoire <LPG>

pour

leur

aide

tout

ou

long

dela

rdolisotion de ce

trovoil.

Ie

remercie

tous

mes collbgues

d

f'universitd,

de

Avzlmo

pour

feurs

(4)

R6sum6

R6sum6

Les propridtds structurales

et dlectoniques

des

dldments

III-V

et

IV-IV,

ces composds

sont semi conducteurs cristallisant dans differentes skuctures : zine+lende, wurtzite

rocksatrt.

Les

calculs

ont

et6 effectu6s

pm la

mdthode

de calcul

des ondes

plares

augment6es

(Fp-LAPW)

qui

se base sur Ia thdorie de

la

fonctionnelle de

la

densitd

(DFT).

Nous avons utilis6 I'approximation de

la

densite locale

(LDA)

et l'approximation du gradient gsndralisd

(GGA)

pour le

terme

du

potentiel

d'dchange

et de

corrdiation

(XC) pour

oalotrler

les

propri6tds structurales, bien que' pour les propri6t6s 6lectroniques (structure de bandes (les

gaps)),

on a

utilis6

LDA, GGA

. Les valeurs du paramdtre de rdseau

d'dquilibre

sont en accord avec les

r6sultats expdrimentaux disponibles.

Gdndralement, les r6sultats obtenus sont

en

accord avec les mesures exp6rimentales et les

calculs th6oriques.

L'approximation

de

la

densit6 locale

LDA,

d I'inverse

de

la GGA,

sous

estime les paramdtres de maille mais surestime le module de compression et on peut conclure

(5)

Sommaire

Somm*ire

Inkoduction

g*n€rale

...

I

R€fErences ... 3

chapitrre

r

: Th*orie

de ra

fondionnete

de ra densit*

DtrT.

r'1

inkoduction"""""'

...4

I'?

simplification

de

I'*quation

de schrodinger

d,un cristar

L3

L'approximationdeBorn-Oppenheimer

...,...;

L3.1

Ddfinition

de la

loi

variationnelle

... 6

L4 L'approximation d. un dleckon de

Halree_Fock...

...7

LS Thdorie de laFonctionnelle de

laDensiti

{DFf}

...9 L5.1 Prdambule : le moddle

de

Thomas_Fermi

ilg?4

... 9

I.5.?

LaDFT

selon Hohenberg Kohn et

Sham

...

ll

1.5.2.1 Thdordmes de Hohenberg,

Kohn

...

tl

[5.1.1

Les 6quations de Kahn

et

Sham

...

lI

L5.2.3

Lafonctionnelle

d'ichange_cordlation

... 13

L5.t.4

Rdsolution des dquations de Kohn-

Sham

... 16

Rdferences

,... 18

chapitre

Ir

: Les

mt*hodes

de

calcul

&

la

structure

de bande

dlect*nique

tr.I

Intsoduction...

... 20

tr.2 M*thodes de calcul des shuctures de bandes €lectronique

...

...

Zl

tr.?.f

I"a mdthode

cellulaire

...

Zl

tr

2.2 La mdthode des ondes planes orthogonalisds

{OpW)

... ZZ

tr.2.3 Lamdthode

dupsendopotentiel

...22

tr-3

-?-Les {quations de

Kohn-Sham...

... g4 R€fdrences

...,...,.. 24

(6)

Sommaire

Chapitre

III

:

L*

methodes

lin6nire

des ondes

phnes

augment6es et tinearisees

[f,?-LAF}Iry

trI'l

La m€thode

APw

... 25

trI.?

Principe de lamdthode

LAFW.

..

....27

trI.3

Les rdles des €nergies de lin€arisation

El

... 29

trI.4

Ddveloppement en orbitales

locales

... Zg

trL4.1Lam6thode

LAPIV+LO

...

...30

trI.S Potentiel et densit€ de charge

...

...

3l

trI.6

le code Wien?k

...

...

3l

trL6.1

L'initialisation

du

calcul

... 31

trI-6-2

Le cycle du calcul

auto-compatible{ScF}

...g?,

trI.6.3

Le calcnl de

propridtds

^...3?,

R€ferences

...

rs

Chapitre

fV

: Resultets et. Discussion

IV.1

Propri€t€s structurales et ilectroniques

lapremidrr

s6rie...

...

lg

IV.1.1

Ddtails de

calculs

...40

IV.l

.2

Propri6t€s

structurales

...44

IV.1 .3

Les propridtds

{lecfoniques

...

...47

IV.1.3.1

Shuctue

de

bandes

...4?

IV.1.3.2

La densitd d'€tats

{DOS)

... 49

IV.1.3.3

Les densitds de

charge

...

j3

IV.?

Propri6t6s skucturales et 6lecFoniques la deuxiime

s6rie...

... ss

IV.2.1

Ddtails de

calculs

...Ss

IV

.2

.l

Propriftds

sto:ucturales

. .. . .. . .S5

IV.? .3

Les propridtds dlectroniques

...

... S?

IV.2.3.1

Structure de

bandes

...57

IV.?.3.?

La densit€ d'€tafs

{DOS)

... 58

IV.?.3.3

Les densit6s de

charge

.... 62

IV

.3 Propridt€s sFucturales et ilectroniques la troisidme s€rie

...

... 64

(7)

Sommaire

IV.3.Z

propridtis

sfucturales

64

IV

.g

.g

Les

propriftds

dlectroniques

...

tV-3 q

|

{rqra+,,-^ -r-

r, ,

.... 65

Iv.3.l.l

Shucture de

bandes

.'.'... 65

...65

Iv.3.3.2

La densitd d'6tars

{Dosi

... 6T

IV.3.3.3

Les densitds de

chage

..". dB

IV.4

Propri6t6s stucturales et dlectroniques

la quatridnn

sirie...

... ?0

IV.4.1

D€tails de

calculs

...70

IV.4

.A

propri6t6s

silucturales

...70

IV.4 .3

Les propridtds 6lectsoniques

...

...

TI

IV.4.3.1

Shucture de

bandes

...71

Iv.4.3.2

La densitd d'6tats

{Dos}

... Tz

IV.4.3.9

Les densitds de

charge

....

Zl

Rdferences

... 7s

(8)

Liste

des

rv'34

La densitd

d'6tat(Dos)

totale et partielle

du

Alp

avec les deux approximations

LDA

et

GGA

dans laphase

zinc-blende

....67

rv'35

La

densit6

d'6tat

totale et partielle

du

GaAs avec les

deux

approximations

LDA

et

GGA

dans laphase

zinc-blende

...68

rv'36

les

contours des densit6s de charge pour GaAs en phase zinc

blende, calcul6e par

LDA

et

GGA

...69

Iv'37les

contours des densit6s de charge pour GaAs

en phase zinc blende, calcul6e par

LDA

et

GGA

...69

rv'38

Profils

de

la

densitd

de

charge

de GaAs

en phase

zinc blende le

long de

liaisons, calcul6es avec

laLDA,

GGA

...69

rv'39

Profils

de

la

densitd

de

charge

de GaAs

en phase

zinc blende le

long de

liaisons, calculdes avec la

LDA,

GGA

...69

ry'40

La variation

de

l'dnergie

en

fonction

du

volume du

Sic

dans les phases zinc-blende.

calcul6e par

GGA

et

LDA

...70

w'41La

structure de bandes

pour

Sic

obtenue par

LDA

et

GGA

dans la phase zinc-blende ... 71

lv'42

La

densitd

d'ehtbtale

et partielle du SiC avec les deux approximations

LDA

et

GGA

dans la phase zinc-blende

...

...72

IV'43 les

contours des densit6s de charge

pour

Sic

en phase zinc

blende, calcul6e par

LDA

et

GGA

...74

IJ'44

Profils de la densitd_de charge de GaAs en phase zinc

blende

le long de liaisons, calculdes avec la

LDA,

GGA

... ... .

74

(9)

Liste

des

IV.IT

les

contours des densit6s de cha

GGA

...

.:__"-'DrLEs

(re cnarge pour

AIN

en phase

wurtzite,

calculde par

LDA

et

IV

lfl

D-^fit^

r^

r- r

...54... )zl

IV'18

Profils de la densitd de charge du

AIN

en phase wurtzite le long

de liaisons, calculdes avec la

LDA,

GGA.

.. .;. .

..

... ...

...54

ry'rg

les

contours des densitds de charge

pour GaN en

phase

wurtzite,carcul6e

par

LDA

et

ccA

...54

lv'20

Profils

de la densitd de charge de GaN

en phase

wurtzite

le long de liaisons,

calcur.es avec la

LDA'

GGA

... s4

rv'zt

Lavariation

de l'dnergie en fonction

du volume dans phase zinc-blende

pour

Bp, BAs

et BSb calcule par

LDA

et

GGA

... 56

rv'22

Les

structures des bandes des

BN

(zinc

blende) et

AlN,

GaN(wurtzite)

obtenue par

LDA

et

GGA

... s7

rv'23

La

densitd

d'6tats(DoS)

totale et partielle

de

Bp

avec les deux approximations

LDA

et

GGA

dans la phase

zinc-blende

... . ..59

Iy'24

La

densit6

d'6tats(DoS)

totale et partielle de

BAs

avec les deux approximations

LDA

et

GGA

dans la phase

zinc-blende

.. ... ...60

rv'25

La

densitd

d'dtats(Dos)

totale et partielle

de BSb avec les deux approximations

LDA

et

GGA

dans laphase

zinc-blende

...61

ry'26les

contours des densitds de charge pour BP

en phase zinc blende, calcul6e par

LDA

et

GGA...

....,.,.62

N'27

Profils de la densitd de charge de BP

en phase zinc blende le long de

liaisons, calculdes avec la

LDA'

GGA

...62

rv'28

les

contours de densitd de charge pour

BAs

en phase zinc blende, calculde par

LDA

et

ccA

...62

lv'29

Profils

de

la

densit6

de

charge de

BAs

en phase

zinc blende le long

de

liaisons, calculdes avec la

LDA'

GGA

...63

rv'30

Les

contours des densitds de charge pour BSb en

phase zinc blende, calculde par

LDA

et

GGA....

. .. ... ...63

rv'31

Profils

de

la

densitd

de

charge

de BSb

en phase

zinc blende le

long de

liaisons, calculdes avec la

LDA,

GGA....

...63

fv'32

La

variation de l'dnergie en fonction du volume du

Alp

et GaAs dans les phases zinc-blende, calcul6e par

GGA

et

LDA

...

...64

rv'33

La structure de bandes pour

AIP

et GaAs obtenue par

LDA

et

GGA

dans la phase

zinc-blende.

...66

(10)

Liste

des

figures

Liste

des

frgures

I.1

Cycle de calcule pour la r6solution des 6quations de

Kohn-Sham.

.. ...17

II.1

Paftition de I'espace selon la m6thode

APW

< Potentiel

Muffin-tin(MT)

>. .,...25

III.1

La L'organigramme du code

Wien2k.

... 34

IV.l

Maille primitive

de la phase

wurtzite..

. -. .. '...38

W.2

Maille primitive

de la phase

zinc-blende

...39

IV.3

Maille primitive

de la phase

Rocksalt

....39

IV.4

La variation de 1'6nergie totale en fonction du

Nkpt

du

BN,

AIN

et GaN dans la phase

zinc

blende

calculde par

LDA

et

GGA.

...."'41

1y.5

La

variation de l'6nergie totale en fonction du

Nkpt

du

BN,

AIN

et GaN dans la phase

wurtzitecalcul6eparlDAetGGA....

"'""""'41

IV.6

La variation de l'6nergie totale en fonction du

Nkpt

de GaN dans la phase zinc blende,

Rocksalt calculde par

LDA

et

GGA..

""

""'41

YY.1

Lavariation

de

l'{nergie

totale en fonction du Rkmax du BN,

AIN

et GaN dans la phase

zinc

blende

calcul6e par

LDA

et

GGA'

"""'42

IV.g

La variation de l'dnergie totale en fonction du Rkmax du BN,

AIN

et GaN dans la phase

wurtzite calculde par

LDA

et

GGA

"""42

IV.9

La variation de 1'6nergie totale en fonction du Rkmax de

BN,

AIN

et GaN dans la phase

Rocksalt calcul6e par

GGA

et

LDA

""42

IV.lg

La variation

de 1'6nergie en

fonction

du volume du

BN,

AIN

et Gal'{ dans les phases zinc-blende, wurtzite et Rocksalt calcul6e par

GGA

et

LDA

""""""'

47

IV.l1

Les structures des bandes des

BN

(zinc

blende) et

AlN,

GaN (wurtzite)

obtenue par

LDA

et

GGA.

"""""""'

50

IV.L2

La densit6 d'6tat (DOS) totale et partielle de

BN

avec les deux approximations

LDA

et

GGA

dans laphase

zinc-blende

""'

51

IV.13

La

densitd

d'6tat(DOS)

totale et partielle de

AIN

avec les deux approximations

LDA

et

GGA

dans la phase zinc

blende

" " "

"

'52

IV.l4

La

densit6

d,6tat(DOS)

totale et partielle du GaN avec les deux approximations

LDA

et

GGA

dans la phase

zinc-blende

"""""""""

53

IV.15 les

contours

des densit6s de charge pour

BN

en phase zinc blende, ca1cul6e par

LDA

et

GGA

""'

53

IV.16 Profils de

la

densitd

de

charge

de

BN

en

phase

zinc

blende le

long de

liaisons'

calcul6esavec1alDA,GcA..

''''"53

(11)

Liste de Tableau

Liste

de

Tableau

IV.l

Les valeurs de

R*1*K^*

,

K

points ,

R6

de

B

et Rmt de

N

dans la structure zinc-blende,

wurtzite et Rocksalt calcul6e par

LDA

et GGA..

IV.2

Les valeurs de

R*1*K-*

,

K

points , R*1de

Al

et

R6

de

N

dans la structure zinc-blende.

wurtzite et Rocksalt calculde par

LDA

et

GGA.

...43

IV.3

Les valeurs de

R*1*K**

,

K

points , R*1 de Ga et

R6

de

N

dans structure zinc-blende,

wurtzite et Rocksalt calculde par

LDA

et

GGA...

... ..43

IV.4

Le paramdtre du rdseau a, module de

rigiditd

B et sa d6riv6e

B'

de BN,

AIN

et GaN dans

la phase

zinc-blende

...44

IV.5

Le paramdtre du r6seau a et c, paramdtre interne u, module de

rigiditd B

et sa ddriv6e

B'

de BN,

AIN

et GaN dans la phase

wurtzite

... ... ... ...45

IV.6

Le paramdtre du r6seau a et c, paramdfre interne u, module de

rigiditd B

et sa ddrivde

B'

de BN,

AIN

et GaN dans laphase

Rocksalt

...46

IV.7

Le

gap 6nerg6tique de

AIN

et GaN

dans

la

phase

wurtzite et

BN

dans

la

phase zinc

blende.

...49

IV.8

Le paramdtre du r6seau a, paramdtre interne u, module de

rigiditd

B

et sa d6riv6e

B'

de

BP, BAs et BSb dans laphase zinc

blende

...56

IV.9 Le gap 6nerg6tique

d'AlP

et GaAs dans laphase zinc-blende

...

...58

Iv.10

Le paramdtre du r6seau a, module de

rigidit6

B

et sa d6rivde

B'

du SiC dans la phase zinc-blende

IV.ll

Le gap 6nerg6tique du SiC dans la phase zinc-blende, calculde par

GGA

et

LDA

...67

1V.12

Le paramdtre du r6seau a, module de

rigidit6

B

et sa ddriv6e

B'

du SiC dans la phase

zinc-blende

...71

IV.13 Le

gap 6nerg6tique du SiC dans la phase zinc-blende, calculde par

GGA

et

LDA...

87

(12)

Introduction gin€rale

(13)

Introduction

g6n6rale

La

physique de

la

matidre condens6e et

la

science des mat6riaux

jouent

un

role

de plus en

plus

important

dans

les

applications technologiques,

et

ce

r6le

ne fera

que progresser dans

beaucoup de domaines.

Avant

d'employer les mat6riaux (solides) dans

l'industrie,

il

faut s'assurer de la qualit6 de leurs propri6t6s structurales, 6lectroniques, m6caniques, optiques...etc.

Les propri6t6s physiques

d'un

solide sont 6froitement li6es au comportement des 6lectrons qui le probldme de la structure dlectronique des solides. La thdorie de la strucfure 6lectronique

est

utile

i

la

fois pour

comprendre

et

interprdter les rdsultats exp6rimentaux, et

pour

servir

comme moyen de pr6diction.

Pour une compr6hension fondamentale de

la

structure dlectronique et par consdquent des

propri6t6s des matdriaux, les thdoriciens ont d6veloppd des mdthodes bas6es sur des moddles dits : semi-empirique, de tels moddles comportent souvent de nombreux paramdhes ajustables

aux

donn6es

exp6rimentales.

D'autres

mdthodes

de

calcul

plus

rigoureuses

et

plus sophistiqu6es

dites ab-initio

[1],

bas6es

sur

la

th6orie

quantique

fondamentale, utilisent

seulement

les

constantes

atomiques comme

paramdtres

d'entr6s

pour

la

r6solution

de

I'dquation de

Schr0dinger. Ces mdthodes sont devenues

aujourd'hui

un outil

de base pour

l'6tude

des propri6t6s structurales, 6lechoniques, mdoaniques,

optiques,...

des mol6cules et des mat6riaux. Elles sont aussi

un

outil

de choix

pour l'6tude

de certains effets

difficiles

ou

impossibles

de

ddterminer

par voie

exp6rimentale

et

pour

la

pr6diction

de

nouveaux

matdriaux,

et

elles

ont

parfois

pu

remplacer des exp6riences

trds

couteuses

ou

m6me irr6alisables en laboratoire.

la

puissance

des calculs

ab-initio

a

pour origine

le

formalisme

de

la

thdorie de

la fonctionnelle de densitd

(DFT) [2],

et ses deux approximations de 1'6nergie d'6change et de

corrdlation

:

l'approximation

de

la

densit6 locale

(LDA)

l2l,

et l'approximation du

gradient gdndralisd

(GGA)

f2l,le

formalisme de base de la DFT est bas6 sur le thdordme de Hohenberg et

Kohn

(1964)

[3], qui

repose sur la considdration que 1'6nergie totale

d'un

systdme est une

fonctionnelle de la densit6 dlectronique.

Il

y

a

plusieurs

m6thodes thdoriques

qui

peuvent €tre utilisdes

pour

calculer

la

structure des bandes (propridtds 6lectroniques), la mdthode cellulaire, la mdthode des ondes planes, la

r-t

(14)

f

ntroduction

96n6rafe

mdthode des ondes planes augmentdes

(APW),

la

mdthode des ondes planes orthogonalisds

(OPW), la mdthode du pseudopotentiel t41....

Parmi

les

mdthodes

ab-initio,

la

mdthode

Fp-LApw [4],

est l,une

des

prus

pr.cises,

actuellement' pour le calcul

de la skucture dlectronique des solides dans le cadre de la (DFT).

Dans notre

travail'

nous avons 6fudi6les

propri6tds dlectroniques des eompos6s

III-v

et

IV

et les calculs ont 6td rdalisds en utilisant Ie code

wien

2k [5],

qui est une impl6mentation de la

mdthode

FP-LAPW

dans

le

cadrede la DFT.

Alors

le travail

que nous prdsentons dans ce

mdmoire est composd de

deux

parties avec une

inkoduction

et conclusion gdndrale.

Le premier est prdsente la th6orie de bandes.

Le deuxidme chapitre est destin6 au fondement

de

la DFT'

LDA'

et GGA, on

discuter

a

les

dif,fbrentes nr6thodes.

Le

troisidme

chapitre pr6sente la m6thode

Fp-LApW.

La deuxidme partie r6sume nos r6sultatg

leurs interpr6tations ainsi qu,une comparaisoR avec certains travaux th6oriques et expdrimentaux disponibles dans la litt6rature.

|---.'l

i2j

(15)

Introduction

g6n6rale

R6f6renees

[1]

G.C.Flecher,

the

electron band

theory

of

solids, North-Holland pubtishing

company Amsterdam London.

t2l

R.

G. Pan

W.Yang, Density-Funetional Theory

of

Atoms

and moleeules

(oxford

ssienoe

publication, 1989.

[3]

P.Hohenberg and W.kohn,

phys.rev.Bl36

(1964)564.

[4]

David

j.

Singh, plane waves, pseudopotentials and the

LAPW

Method,

kluwer

Academic

publishers, Boston/ Dordrecht/London.

[5]

P. Blaha

,

K.

Schwarz,

G.K.

H

.Madsen,

D

. Kvasnicka

and

J.

Luitz,

Wient

2k,

an augmented plane-wave+local orbitals program fior calculating crystal properties

(

Kartheinz

S chwarz, Techn. Universitat Wienna, Austria),200 I .

ISBN

3 -95 0 I 03 I - I -2.

-''r

l3l

(16)

Chapite

I

Thdorie de laFonctionnelle de laDensitd

DFf

Chapitre

I

(17)

Th6arie

de Ia

fonctionnelle

de

la

densit6

Df'T

Llintrodnrtion:

La

description quantique non-relative d'un systdme moldculaire ou

cristallin

est bas6e sur

l'dquation de schrddinger.une

infoduction d

ce

formalisme

ddbute ndcessairement

par

Ia

prdsentation de

l'dquation

de Schrddinger exacte {<< dquation

i

plusieurs corps >>)

qui

sera

simplifide

ultfrierrement par

diverses approxinmtions

de

maniire

i

ce qn'elle

puisse 6tre rdsolue. Le kaitement de ce << probldme

iplusieu's

corps >> en mfcanique quantique consiste dr

rechercher les solutions de l'dquation de Schrddinger. Malheureusemen!

les

dlechons et les

noyaux

qui

composent

les

matdriaux

constituerd

un

systdme

i

plusieurr

cofps

fortement interagissant et ceci rend

lardsolution

de

l'fquation

de Schrddinger extremement

difiicile.

I.2

simplilication

de

l'6quation

de

Schriidinger

d'un cristal

: les

approximations

:

Les solides sont constituds par une association de particules dldmentaires

:

les ions et les dlectrons. Le

problime

thdorique fondamental

#

la

physique des solides est de conryrendre

I'organisation

intime de

ces

prticules

et I'origine de

leurs propri€tds.

Mais

dans

ce

cas,

Ia

mdcanique classique s'avdre insuffisante

et

il

faire

appel

i

la

mfcanique quantique

dont

la

base est lardsolution de l'dqnation de Schrddinger :

Hv

=

Ettt

Tel

que

E

est l'dnergie de

l'6tat

fandamental du cristal

t1l.

Le

problime

gfn6rale peut Stre posd sous

laforme

d'une dqudion du mouvement de toutes les particules prisentes

dms le

cristal

L'Hamiltonien

exact du

cristal

(non relativiste) r€sulte de la pndsence des forces dlecfostatiques

d'intermtion

: soit repulsion ou

attaction

suivant

la

chmge des particules {ions. 6lectrons).

H:I"

+

fr,J

+

V*-"

*

Vs-N

*

VN-N

Dans laquelle les termes T",TN,Ve-e,Vr-N

et

lljv-jv correspondent respectivement :

Q

:L'€nergie

cin{tique des dlecffons.

-hZ

T":

*ErA,

I*

:

L'fnergie

cin6tique des noyaux.

-EZ

T*:#E*

a*

I/*

-"

L' dnergie potentielle d'interaction r6p ul sive (6lectron- € lectron).

{r.2}

(r.1)

ddcrit

pr

la fonction

9rdu

cristal

{r3)

(18)

Theorie de Ia

fonctionnelle

de

le

denrit6

DtrT

V"-"

:jX,,ro,

U,;

=

jX,,ro,G+=;

(r.5)

I4v-,iv : L'€nergie potentielle d'interaction euke les

noyarx.

lf_. :J1'

,r _ 1r,

ezzpz2

vff-ff

-

rL,E,r#E utet

=

;Ia,i*r;ffi

(r.6)

e: la charge de €lectron.

m

: Iamasse de

l'6lecfon.

Ti,Ti

i

ddfinissent les positions des drectsons

{i)

ef

fi},

respectivement

Fs,

ftr

: ddfinissent les positions des noyaux

(k)

et (r), respectivement

zn,zt:

soit

les nombres atomiques des noyaux

{k) et

{l},

respectivemenl L'dquation

{I'1},

dquation de schnidinger

{1926} avec

H

{Hamiltonien totale} s,est r6v6lde

6ke

eractement

difficile

f,

rdsoudre, m6me dans

les

cas

les plus

sirnples.

Efectivement

lorsque

le

nombre d'atomes

augmente,

les difficultds

du

caleul

angmentaienf

de

fafo'

exponentielle.

Ainsi,

lmsque

I'on

considdre rm certain nombre

d'dlecfons

N,

ces fonctions

d'ondes d€pendent de leurs

N

coordonndes tridimensionnelles.

par

suite,

la

fonction globale

ddpend de 3N variables.

Les diverses mdthodes de

calcul

de

la

shrctr"re de bandes

ilechoniques

des matgriaux

i

I'dtat

solide mises au

point

au cours des dernieres ddcennies reposent sur

ufi

certain nombre d'approximations reparties sur Fois niveaux

[ZJ.

1.

I'approximation de Born-Oppenheimer.

2.

I'approximation de Hartree-Fock ou le formalisme de

laDFT.

3.

L'approximation inhdrente ir

Iarisolution

des iquations.

I.3

L'approximation

de

Born-Oppenheimer

:

L'approximalion

de

Born-Oppenheimer,

dite

adiabatique

est

la

premidre

des

approximations

utilisde pour

la rfsolution

de

l"dquation

de Schnidinger

pour

les

systdmes

complexes contenant

plus d'un oir

deux €lectrons, elle

sdpre

le

mouvement des

ilecfons

ef

des noyaux

en se

basant

sur

la

diftrence

de

rnasse

enFe

les

noyaux atomique

et

les

dlectronsltf.Fr

}}

m".

En gdn€rale la simplification de I'dquation de

sclrddinger

i

deux niveaux :

(i) i

condition

que

la

gdomdFie

de

la

strucfure

soit

conservd

e,

le

terurc de repulsiou internuclfaire I/,"-r, peut

€fe

considdrf comme constant L'avantage de ceci reside dans le

fait

(19)

Ch*pitre

I

Thmrie

de

l*

fondiannelle

de

la

densitd

Df,'T

que

I'qjout

d'une constante

iun

opdrateur

n'apas d'effet

sur ses fonctions propres. En cas de

changement de

gdomikie,

ce terme doit r66valuer.

(ii)

la vitesse des noyaux est

nulle,

il

en est de m6me pour leur impulsion

et

leur dnergie cindtique.

Elle

conduit donc

i

la sdparation du

I'Hamilbnien

totale en une partie

ilecfonique

et une partie nucldaire relide ar$( noyaux, ces derniers sanf

fxes.

Les 6tats propres

du systime

sont alors carartdrisds

par

des fonctions d'onde

produit

d'uRe

fonction d'onde 6leckonique par une fonction d'onde nucldaire.

t/r{ft,r}

:

!&rviff}

tltrtr}

L' dquation de Schrddinger

s'6crit:

t4

+

rr-r

*v*_"

*

F*_r*

*

Irrv-ivlfjY{n}

*"tB,r}:Etply{fr} $"(R,r}

Ce qui amine aux deux €quations indfpendantes :

tL

+

l"jv

*

tr"-nl

*"tR,r):E*

*r{R,r}

trrv

+

Iriv_ivl

fiv {fr}

:

Ef,v{fr}

(r.8)

f.e)

fl.10)

(r.1 1i

Pour

les

6tats

d'fnergie flecfoniques du cristal

on

n'utilise

que l'dquation

{L10},

les noyau:( 6tant supposds fixes a leur position

d'fquilibre.

I.3.1

l)6finition

de la

loi vari*tionnelle

:

Dans

le

cadre de

I'approximation

de Born-Oppenheimer,

le

syst&me

n'est ddcrit

que par

I'opErateur Hamiltonien €lechonique. L'dquation de Sclrrtidinger est donc r66crite de lafagon zuivante:

H,

!h*:

E, $"

ir.12)

Dans cette

eryression,

E*

est

I'dnergie

correspondant

i

I'dtat

quantique

**

{ryr2,rs...

...,Tn}

dfcrirmrt

le systdme des

N

dlectrons plonges dans le potentiel des noyaux.

On peut ddduire aisdment de

(I.1?)

que

l'fnergie

du

systime

s'e4prime sous

la forme

de

la

fonctionnelle suivante.

E[+]:ffi

Otr

lanotion

de

Dirac

a 6td adopt6e [3,4].

(20)

Theorie de

la fonctionnelle

de

la densitdIltrT

D'ryrts

le principe selon lequel un

systime

tend fl minimiser son dnergie totale, l,dnergie E

relative

i

un 6tat rp quelconque est supdrieure

on

6galei. r,dnergie Escorrespondao1 e

l,6tat

fondamentat rpn du systdme. Ceci nous conduit

i

l,in6galit6 sui'ante.

E[*l

>

so

(r.l4i

Autrement

dit' l'fnergie

calculfe

flparfir

d'une

fonction d,onde

rf

quelconque du systdme

est supdrie're

i

l'dnergie

waie

de l'dtat fondamentar du systdme

[z].

E

[Ss]:

Es:

min

([+]]

on

enhevoit

ici

mdthode

pour

ddterminer I

iiitd

fondamental

d'un

systdme donn6. En appliquant

le principe

variationnel

qui

consiste

i

minimiser

l,dnergie totale par rapport d.

Ia

fonction d'onde

(I-rs),

il

est possible de d€terminer les Es et r/rs exacts.

On s'int€resse donc

dr6sou&e

l,dquation :

as[U:

n du

Au

lien

de

l'equation

de

$chrddinger sous

la

forme fi-12).L,ryplication

de

Ia

loi

variationnelle permet de calculer

Es et dr6pour n'importe quel systime composd d,€lecFons et

de noyaur.

cependant la

fonction

tfis sous

la

forme exacfe est beaucoup complexe

i

manipuler (c,est

une fonction de 3N variables avec

N-+

mlet

on peut dans

lapratique

la

simplifier

n.flce

i

une apprcximation.

Four r€soudre de

tels

systimes fl

N

particules,

il

existe principalement deux grands tSpes

de mdthodes : m€thode Hartree-Fock(HF)

[5],

et les mdthodes basdes sur

IaDFT

[Z].

f.4

L'epprnximation

i

un dlectron

de

lfaftree_X,ock:

cetfe

approximation propos6e

par

Hartree-Fock

[?,s],

consiste

d

supposer

que

chaque

dlecfon

se ddplace inddpendamment dans

un

champ moyen cr66

par

les aphes dlectrons Et

noyaux.

L'Hamiltonien

peut

6be

6cris

comme 6lechon.

H:

Xi

ffi

une sofilme des

Hamiltonien dicrivant un

seul

fi.15)

Avec

nz

Ht:

h+

Ir{r)

Ofl

{r{r}

possdde

la p6riodicit6

dus aux ions

avec tous les

aufes

flecbons.

(r.16)

{r.17)

(r18)

(21)

Ch*pitre

I

Theorie

de

le fonctionnelle

de

la

densitd Dtr'T

La fonction d'onde du systSme €lectronique

i

lafcrme

d'un

pro&rit

de fonction d'onde de

chacun des

dlecbons, et

l'dnergie de ce

systAme 6lectsonique est 6gale dr

la

somme des

fnergies de tous les flecFons.

$* (rr,rr,rr...

...,ro):

tF,

(rr)

*,

VrJ

S.

(rrJ

....

tl"

(A)

E:8"

=

EL

+

Ez

*

E3 .... . En

Avec

Hi !&i:S,

tli

H*

*":E*

rh"

Le champ de Hartree-Fock permet de ramener l'€quation

multiple

i

un systime

d"iquation

d'un seul 6leckon.

(r.1e) (r.20)

(r.21)

{r.22)

{r.23}

lS

a,*v--iv(ri)+

tr/"-"{ri)l

*tU}-

4

{k}{1{ri

%-,,v{ri} L'€nergie potentielle de

I'Slecfon{i)

dars le ehamp de tous les noyaux.

Vr-*(rJ

Est le champ

effectifde Harfee.

Mais tant

que l'dlectron est

un

fermion donc

la

fonction d'onde totale

doit

0fe

antisymdfique

par

rapport

ir

I'dchange

de

deux

particules

quelconque

qui

est ndglig€ par Hartree. Pour

corriger

ce d€faut,

Fock

[6]

a

proposf d'appliquer

Ie

principe

d'exclusion de

Pauli,

donc

la fonction

d'onde

dlecfonique s'6erit

sous

la

forme

d'un

ddterminant de Slater

t6l.

{r.24}

Ot

+

est la constant de normalisation-vivl

Le

syst*me d'€quations

{I-23)

se

rfsout

de

nani*re

auto-cohdrente dans

la

mesure

oir

le

potentiel ddpend des fonctions d'onde. La m€thode de Hartree-Fock basfe sur

I'hlpothdse

des

.

I

rrDr

{rr}

$tkr}...

lD,

(A}

g*

{ryr2,r3...

... ,

rrr}:

# :l

*z

tr}

*z

{rz}...

. .

Sz

{A}

Yrr

i

(22)

Chapitre

f

Thdorie de

la

fonrtionnelle

de

la

densit6 Df,,T

les moldcules, mais pour les solides, elle est moins precise et

diffcile.

Cependant

il

existe une

mfthcde

moderne et certainement plus puissmte qui est la Th6orie de la Fonctionnelle de

la

Densit€

(DFf).

L5 Th6orie

de la tr'onctionnelle de la Densitd

fl)X,T)

:

Comme son non

I'indique, c'est

une th€orie qui

utilise la

densitd dlecfronique en tant que

fonction'

fondamentale au

lieu

de la

fonction

d'onde comme c'est

le

cas dans

la mithode

de

Hartree-Fock.

L'intdret

de la

DFT

est de

simplilier

la

risolution

de

l'dquation

de Schnidinger en plagant

la

densitd dleckonique

p (r)

au cenke du

calcul.

Cefte quantitd est

ddfinie

de

la

fagon suivante TZJ.

p

(rli=+{

Jtout r,"spr." . . -Jtoot resp*e

**

(r t, rz ...

ro}*

{rt

rz

...

rn}dr2drn

Ori

N{toott'"rp"." p

{r}

&

fl.25)

(r.26)

L'ing€niositd

de cette approche est ainsi de passff du calcul d'rme fonction

i

3N variables

*{rurz...r"}

au calcul d'une fonction beaucoup

phs

simple

i

3 variables p {r).

Avant

d'e4poser

les

principes g6ndraux de

la

DFT,

nous allons succinctement

ddcrire

une m€thode

plus

ancienne, basde

elle

aussi sur

le

calcul de

la

densitd, mais dont

le

formalisme

s'articule

autour

d'une rypmche

statistique

du

probldme.

Il

s'agit du modile

de

Thomas-Fermi, modile qui

initi4

les

ryproches

DFT et

est

destind

i

calculer

ta

disfibution

des

€lectrons dans un atqme.

I.5.1Prenmbule

: le moddle

de

Thomas-Fermi

{lgTfi

z

Enfait, I'idde d'utiliser ladensitf

€leckonique

apour

origine les

dfbuts

de lamdcanique

avec les travaux de Thomas

[9]

et Fermi

[0]

qui ont d'e4primer l'6nergie tatale d'un systime

en fonction de sa

densitd

€lecbonique

en

repndsentant

son

dnergie

cinetique selon

une

fonctionnelle de cetfe grandeur.

Les

hlpothdses

sur les

quelles repose

ce

moddle

sont

une r6partition

uniforme

des

dleckons dans I'espace

et

le

fait

que

chaque

dlecfon

subisse

un

potentiel effectif

€leckostatique

dil

au noyau d'une part, et

i

ta distribution des aufues dleckons

d,aufe

part

De plus, la ddtermination de l'dnergie cindtique est basfe sur le

modile du

gazde fermions libres.

(23)

Theorie

de Ia

fonctionnelle

de

ta densitdDf,'T

En

considdrant que I'espace est

diviss

en cellules

cubiques 6l6mentaires,

il

est possible de ddterminer l'€nergie cindtique totare (E4rrldes

dlecfom

dans une celre

[z].

'

_3.hz

t3$t2

Ecin:

*A(;f"

,s/t

73

$.27)

Le

ddveloppement permettant

d'aboutir

d

cette erpression

est

dom€

an

n6cessaire de

sommer sur toutes les cellules.

on

en arrive donc an

point

central de ce paragraphe

puisqu,il

est possible de cette fa+on, de ddterminer cin€tique du systime

;

c,est une fonctionnelle de

la

densit6 qui prend

laforme

suivante (donnde en

unitis

domiques] :

5

Ir.p:

C Jtootr"rp"."

pr{f}

{I.28)

Avec:

c:

fr{r''r}tn

Compte tenu des

hlpothises

mentionndes

au d€bnt

de

paragraphe,

il

est

maintenant possible

&

ddterminer l'dnergie totale du systime qui elle

une fonctionnelle de la densitd :

rrrh

{r)l

:

c

J,oo,r"a.."

pi(r}

z

ffF

*r4

f ##

dr dr,

(r.2e)

Le premier terme

du

membre de

droite

est

le

terme d'dnergie cindtique,

le

second refldte I'interantion entre les

flecfons. Ainsi,

en minimisant

r1,p[p{r}],il

est enfin

le

troisidme est

I'interaction

€lectrostatique

de

I'dtat

fondamental

du

systdme.

Le

nombre

de

parficules du

systdme 6tant constant,

minimisation

de

$-27)

se

fait

en

incorpormt

cette

confainte par

le

biais

d'un multiplicateur de Lagrange b.

on

resors alors

l,iquation

suivante :

6

{Err

[p

{r}]

-

blp

{r}dr

-

NI}

:

0

Les

rdsultants donnds

par

cette

thdorie sont

en

rialitd

assez

mediocres

li.,ll!,

et

ceci

malgrf

de nombreuses tentatives d'amdliorafion. On peut citer parmi celles-ci, celle de

Dirac

qui

consiste

f,

introduire un terme

d'dchange dans

la

fonctionnelle

E'pptp{rl

[12J.

Cefte approche approximative renconFe, en effet, de s€rieux probldmes

[11]

puisgge d,gne part, les

fonctions d'ondes obtenues

n'ont

par le bon conportement

qualitatif

au noyau et que d'autre

part' elle

ne permet pas de

faiter

les ions ndgarifs. Les moldcules

[13,14,

l5].

pogr plus de

dftails,

consultez

le

chryihe

6

du

liwe

de

Par

et

Yang [ZJ,

qui

prdsente

ce

moddle

et

diffirentes

variantes ou anx rerrues de Gombas

[16]

et March

[l{

portant sur

I'application

de

cette th€orie aux atomes et

molfcules.

Ce moddle est cependant int6ressant dans

le

sens ori

il

constitue

le

premier par

vers une

thdorie

oir le

calcul

compliqud

de

la

fonction d'onde

est

remplac€ par celui d'rme simple, la densit6 €lecfonique.

(24)

I!g"i*

de Ia

fonrtionnelle

de

le

dcnsitd

Df,T

on

gdndrale'

la

prdcision obtenue dans

le

moddle de Thomas et

Fermi

itait

inferieure

d

celle

de Harhee'Fock

i

carse de I'absence du

terme d'dchange-corretation.

Dirac

a

arn6li,*6

cette

thdorie

en qioutant au une

fnergie

d'dchange

fonctionnelle

de

la

densitd 6lectronique.

Mais le terme correlation flecbonique 6tait toujours absent dans cette

nouvelle approche.

I.5,2

La

IIFT

selon

Ifohenberg,

Kohn

et

Sham :

1.5,2.1

Th6orimes

de

Hohenb*rg,

Kohn

:

Le formalisme de

IaDFT

est basd sur les deur thiordmes de Hohenberg,

Kohn [z,rgJ.

Fremisrement,

Hohenberg,

Kohn

ont

montrd

qu'il

existe une coffespondance

binnivoque

entse

le

potentiel extdrieur et densitd €leckonique

p

ir)

permettant de reprisenter

le

premier

comme une fonctionnelle

de

l'6td

fondamenia"l

est igalement une

fonctionnelle

unique

universelle de la densitd dlechonique, soit :

E:E

[p

(ri]

(r.31i

Ce

thdorime

est dr

la

base de

la DFT

et e4plique

I'appellation qui

lui

a

6t6 donnee.

ceci

diffare de lam€thode

Harfee-Fock,

dans laquelle

I'inergie

totale dn systdme est fonctionnelle

de

lafonction

d'onde.

une

cons€quence

immddide

de ce thdorime est que

la

densit6

dlecbonique d6termine de

fagon unique I'opdrateur Hamiltonien du systdme et

f,travers

ce Hamiltonien. Les difl?rentes propri€t€s du mat€riau peuvent calcul6es.

Deuxi&mement, Hohenberg

et

Kohn

ont

mortr€ qu'un

potentiel

v**s

et

un

nombre d'dlecFons

N

donn6s, l'4nergie totale du systdme atteint savaleur minimale lorsque

la densit6 p

(r)

conespond d la densitd exacte de

I'itat

fondarnental s'dcrit comme suit :

Po (r).

g{po):minE(p}

La fonctionnelle de l'dnergie totale de I'dtat fondement

s'6crit

comme suit:

E

Ip

(ril

=

FHr[p

(r]l+J

Vext F

{r}

d3r

of

reprisetrte

V**,

le potentiel externe agissant sur les particules

et

Flyplp

{rl

reprdsente

la

fo ncti onnel I e rmiversel I e de Hohenberg, Kohn.

Avec

Frirlp

(r)l

: {*lr+

rhp}

[.34]

(r.33)

$.33)

ll

(25)

Ileorie

d!

la fonctionnelle

de

la

deasitf

DtrT

ta

connaissance de cette fonctionnelle

permet de ddterminer l,6nergie totale et

densit.

de

charge de I'dtat fondamental externe donn6, en utilisant le

principe variationnel. Nous

conduit

en thdorie

i

toutes les propridtds plrysico-chimiques de l,dtat

fondamental

d'un

systdme

donn6'

cependant,

il

reste un probldme

de

taille

d

rdgler:

il

n,existe

par

de

fermions en interaction

est

inconnue. Par ailleurs,

trous avons que

modile

de

T-F

constitue une approche trop brutale

pour

obtenir des rdsulhts satisfaisants.

il

ftut

donc se

diriger

dans une auhe direction et c'est d ce stade que

Kohn

et sham ont proposd une approche tout d

fait

ingdnieuse pour coRtourner ce probldme.

L5.2.2

Les

6quations de

l{ohn

et

Sham :

Kohn

et

$ham

[19]

ont

inhoduit

un

ddveloppement suppldmentaire

qgi

consiste

i

remplacer

le

systdme

rdel

interactif en un systcme

fictif

non

interactif

.cette approche

r*alise

une coffespondance exacte de fermions non interactifs placds dans un

potentiel

efectif

et

le systime r6el dplusieurs dlecbons en interaction sournis au potentiel

rdel. De ce

fait,

la densit.

{lecfonique

et I'dnergie du systdme r6el sont conservdes dans ce syst6me

fictif

Four ce

systdme

fictif,

les thdorimes

de Hohenberg

et

Kohn. s,appliquent 6galemen[ La

fonctionnelle de

la

densitd

F[p]

Porn le systdme

interactifpeut

€fe

e4primde par

l,e:

ression suivante :

F

[p(rl

:

Io[p(rl

+ ga[p(r]J

+

E*"[p(r[

+

H**s[p{rl

ofi

:

rs[p(rr

est l'dnergie

cin6tique

du

gaz

d,dlecFons

non

interagissant,

Eri

tp(rr

d€signe

le

terme

de

Harbee,

E*"[p(r]J

est une fonctionnelle

additionnelle

qui

ddcrit

I'interaction

inter-dlechonique appelde 6nergie

d'echange-corrdlation

et

t/"*1[p(r)J inclut

I'interaction

coulombienne des dlechons auec les noliaux

et celle

des noyaux

enke

eux. Le terme de Harhee et

celui

de

l'fnergie

cindtique

jouent

un

rdle

iruportant dans

Ia

description

des itats des dlechons. la diffErence enhe

I'inergie

d'interaction r6elle et celle de Hartree sont

prises en compte dans l'dnergie d'dchange et corr€lation l/**s[p{r)J.

L'€quation de schrtidinger d risoudre dans le cadre de I'approche

de Kohn

et Sham est de

laforme:

tSa,*

r"rr(rlJld,(r)

>:

Elfi(r)

>,

i:r,....N

Ori le potential

effectifest

de

laforme:

V"rr:V**t[#fu,

rV^"

(r.35)

(r.36)

(26)

Chapitre

I

Ihrryrie

de

la fonctionnelle

de

le densitfIIF,T

Le potential d'dchange et corrslation

est donn6

pr

rafonctionnere

derive:

V*"(r\

= d(arclP(r)l)

dp(r) (r.38)

Et la densit6 est donnde par une somme sur r,ensembre des orbitares occupdes

:

p

(r):x[1h]{r}12

(r.3e) L'6quation

(I'35)

correspondmt aux fquations

de Kohu et sham et doivent etre resolues de

fafon

auto-cohdrente,

c'est- d- dire

en

dibutant

d

parfir

d'une certaine densitd

initiale,

un

potentiel est

obtenn

pour

lequel l'dquation

fi-35)

est

rdsolue

et

une nouvelle

densitd

dlectronique est

alors

ddterminde.

A

partir

de

cette

nouvelle

densit6,

ufi

nouveau potentiel effectif peut Ghe calculd.

ce

processus est

rdpdti

de faqon auto-cohrirente

[l]

jusqu,i

ce

que

la

convergence soit

atteinte.

L5.2.3

La fonctionnele

d'6change_corrdation

:

L'dlaboration

des fquations de

Kohn

et sham

apermis

de

mdfe

en rividence le

fait

que

la

seule

fonctionnelle

d'dchange-corr6lation

E*"[p{rI.

Ainsi,

pour

rdsoudre

les

dquations de

Kohn et sham, diverses fonctionnelles d'6cha4ge-correlation ont 6t6 envisag6e

[z].

Les effets qui rdsultent des interactions

enfe

les dlectrons sont de

hois

cafdgories : l,dnergie,

la

correldion

dynamique et la

corrilation

non dynamique.

r

I'effet

d'6change r6sulte

de

l'antisymdfie

de

la

fonction

d,onde

totale

vis-i-vis

de

l'echange des coordonndes dlectronique.

rl

correspand au

principe

de

pagli

qui stipule

que deux dleckons

de

m6me

spin

ont

rme

probabilitd nulle

de se

bouver au

meme

endroit'

cet

effet est inddpendant de

la

charge de

l'dlectron

et est

pris

en compte dans

la

thiorie

de

Hartree-Fock

d

cause

de I'antisymdfie

du

dfterminant

de

slater

reprfsentant la fonction d'onde.

r

I'efet

de

correlalion

ddsigne

la

corrdlation

entse

les

mouvements dlectroniques

rdsultant

de

la

rdpulsion

inter-dlectsonique coulombienne

"nfr.

Il

correspond

essentiellement d'

l'efet

de

cordlation

pur

des €lecbons de

caur.

il

est ind6pendant du spin. cet effet est n6grig6 par ra thdorie de Harbee-Fock

r

le

troisidme

effet provient

du

fait

que les fonctions

d"onde

dlecfoniques

sont

formulEes en termes de

particules

ind6pendants.

Il

s'agit

de

Ia

correction de

<<

self-interaction >> qui doit conduire

dun

comptage correct du nombre

de paires d,€leckon.

(27)

Chapftre

f

I!yt*,,1.=8r.f":

l3en.

efi

densito

DF,r

La

fonctionnelle

d'ichange-corrilation

doit t+nir compte, en prus

de ce

qui

a dt6 $nonc€,

de

Ia diftrence

d'dnergie cin6tique enhe

re

ryetdme

fictif

non

interactif et re systime

non

interactifet

le systime r6el.

Ainsi' le

calcul

de

I'inergie

et du

potentiel d'ichange-

corrdration repose sur un cerfain nombre d' approximations.

a.

L'approximation

de

la densitdloc*Ie

(LIIA)

:

rl

est supposd que

la

densit6 dlectronique peut

Ghe traitde rocalement sous ra

forme d,un gaz

d'dlecffons uniforme' Le mot <<locale r> indique

q,e

la fonctionnelle

F[p]

ddpend seulement de

r

il travers la densitd p.

ce

qui revient

i

effectuer les deux h5pothdses suivantes :

cette approximatiou consiste donc

i

considdrer qre la contribution de

E*"[p(r[

d l,6nergie totale du

systime

peut

6be

additionnde de fa4on

cumulie

i

partir

de chaque

portion

du gaz non uniforme comme

s'il

6tait localement uniforme.

sj8*tpiril=Ip{r)

E}fd[pir]ld3r

ir.40)

Dans

laquelle

E'ffa[p{r}]

represente

l'dnergie

d'dchange

et

de

corrdlation

par *recfon

dans un gae d'*lechrons donf ra dishibution

est srrypos*e uniforme

[?].

A partir

deE'*8Ah{r}l

le potentiel d'dchange-corrfration

r,|.f*trl

peut 6o.e obtenu d,une

fagon variationnelle selon l,dquation

:

tr/*TA

[rl:

d (P(r) E*84 tp(r)])

o(p(r)

{r41}

Por:r

les

systdmes

magnitiques,

le

spin

elechronique

inkoduit un

degr6

de

libertd

zuppldmentaire

et

la LDA doit

€he alors

dtendue

i

l'ryproximdion

de

la

densitd

locale

de

spin

[2]'

otr l'6nergie d'dchange et

corelation

est

deux densit6s de spin haut et bas :

EiEo[pt,ptJ

:

lp(r]

Elpr{r),

ps{r}drr

0n

g6n€rale

la

LDA

suppose

que

la

dnergie est divisde en deux termes.

Ex"[p(rJ]

=

Ex[

p

(rf+r"[

p

{r!

(L4zj

foncfionrrelle

E*[p(ri]

est purement

locale.

Cette

Figure

Figure  III.1  partition  de I'espace selon la m6thode  APW  &lt;  Potentiel  Muffrn-tin(MT).
Figure  IV.1 Maille primitive  de la phase  wurtzite  [2]'
Figure  IV.3  Maille primitive  de la phase  Rocksalt  [2]'
Figure  lY.4Lavariation  de 1'6nergie  totale  en phase  zinc  blende calculde par  LDA  et  GGA'
+7

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