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Contribution au calcul des fonctions de base symétrisées
et des fonctions d’onde du graphite type hexagonal :
application au calcul des coefficients de structure dans la
méthode K.K.R.
Driss Hnikich
To cite this version:
Driss Hnikich. Contribution au calcul des fonctions de base symétrisées et des fonctions d’onde du graphite type hexagonal : application au calcul des coefficients de structure dans la méthode K.K.R.. Autre [cond-mat.other]. Université Paul Verlaine - Metz, 1987. Français. �NNT : 1987METZ002S�. �tel-01775718�
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THÈSE
D E D O C T O R A T U A I T \ . Z E R S T T E D Ef1
D E t . , E I V G E N T Ede base
symétrisées et des
graphite type hexagonal.
coeff icients de structure
METZ
* j o u t e n u , = i i r t J.j P r é s i c j s : l - l i , : L - ; < ; r r n i n a L e r l r s : : ; e p t e m b r e I g.li'/ ,jev,,rrrl. i . PRtrTÀri 't' E . KARTHFjI.TsUJ< R . K I , E ; I M . , i . i i { . r U i , M i i N t J i l . r - ' : i A k L f tiR l a c o r n m j s s i o n c l ,e x a m e n : P r o l e s s e u r t l l n i v e r s i t é c i e l . I a y l a , u P r : o f e s s e u r ( U n i v e r _ s i L É , l e j - , r è q e ) F r o i t , s s É ? t l r . ( t l n i v e r s i b é c l e M e L z t M a i ' L r. n d e f l o n f é r e n c e . s { U n i v e r s i c é , l e iJauLe A l s a c e ) P r , : ; f e s s e u r ( U n i v e r : s i b é d e M e t z )s/t e+lz
PHYS T QUE ET T.tECAÀIT QUE p r é s e r a t é e p a rD r i s s
H N f K t C H
Contribut ion au caf cuf
des fonctions
fonctions d bnde dl
A ppf ication au
calcul des
dans la me.thode k. k. r. .
L A B O R A T O I R E
2 -REMERC]FJ'IF]NTS L e p r é s e n L t r a v a i l a é t é r é a l i s é a u l a b o r a . L o i r e r i e p h y s i q u e d u s o l i c i e d e I , U n i v e r s i L é d e M e t z J e t i e n s à e x p r i m e r m a p r o f o n d e r e c o n n a l s s a n c e à l 4 o n s i e u r l e P r o f e s s e u r A l p h o n s e C I - { A R L I E R , sogs la cl j i-,,rcc j o n de q u i c e L r a v a i l a é t é é r a r i o r é . r l m ' a a c c e u i l i i , i n i b i é . i u t r a v a i l d e r e c h e r c h e t h é o r i q u e e b g u i d é i n l - a s s a b l e m e n t o a n s m e s d é m a r c h e s e t r e f l e x i o n s . J e r e n e r c i e M o n s i e u r r e p r o f e s s e u r J . P R 0 T A S , $c+es @ . n * e c t e u r d u l a b o r a t o i r e d e c r i s t a l l o q r a p h i e , d , a v o i r a c c e p t é d . e p n é s i , L e r 1 e j u r y m a l g r é s e s m u l t i p l e s o b l i g a t i o n s . M e s r e m e r c i e m e n t s s ' a d r e s s e n t é g a l e m e n L à M o n s j . e u r l e P r o f e s s e u r E . K A R T H E U S E R d e 1 ' u ' i v e r s i t , é d e L i è g e , M o n s i e u r l e P r o f e s s e u r R . K L E r N d - e 1 ' u n i v e r s i t é d . e M e t z e t a u D o c t e u r è s s c i e n c e s l " l o n s i e u n J . J . K O U L M A N N d e I ' u n i v e r s i b é d e H a u t e A r . s a c e d ' a v o i r b i e n v o u r u e x a m i n e r c e t r a v a i l e t p a r t i c i p e r q u l u r y , Q u e M a d a m e M a r i e - F r a n c e C H À R L I E R tr o u v e ici l ' e x p r e s s i o n d e m a r e c o n n a i s s a n c e p o u r s o n a m a b i r i t é e t , d i s c u s s i o n s f r u c t u e u s e s e t q u e M o n s i e u r J . O U B I H À s o i t remercié p o u r s a c o l l a b o r a t i o n . J e s e r a i i n c o m p l e t s i j e n , e x p r i m e p a s m a r e c o n n a i s s a n c e e n c o r e u n e f o i s à M o n s i e u r r e p r o f e s s e u r R . K - L E r M e t a u D o c L e u r è s s c i e n c e s M o n s i e u r J . G . G A s s F - - R p o u r a v a i r m i s à m a d i s p o s . i t i o n l e s m o v e n s m a t é r i e l s a u l a b o r a . L o i r e t f e p h y s i q u e d e s r i q u i d e s m é t a l l i q u e s / p o u r l a n i s e en ord.re et 1 a f r a p p e d r - r m a n u s c r i t ; f r a p p e q u i a é t , é e f f e c b u é e p a r M a d e m o i s e l l e F a t i m a T E R K i q u e j e r e m e r . c i e s i n c è r e m e n t .
CHAPITRE A
s . A . 1
$ . A . 2
$ . A . 3
s . A . 4
s . A . s
INTRODUCTION FORMALISME GEÀIERALCHOIX D'UN POTENTIEL POUR UNE PRATIQUE EVALUATION DES ELEMEIUIS DU DETERMINANT
UTILISATION DES HARMONIQUES DU RESEAU
3
-SOMMÀIRE
FONDE:I4ENTS DE LA METHODE K.K.R
APPLICATION ATIX CRISTAUX COMPLD<ES
REPRESENTAÏIONS IRREDUCTIBLES
-à
DES
cRoupES
gt&;)
DU CALCUL SECULAIRE
CHAPIÎRE B SYI4ETRIE IRIDTI\,IENSIONNELLE DU GRAPHITE
s . 8 . 1 R E S E À U D I R E C T
s.8.2 SYI,IHrRIE LoCALE ET GLOBALE
s . 8 . 3 " C L A S S E I 4 E M | D E S P R O C H E S V O I S I N S s . B. 4 oPE'RATIONS DE SYI,IETRIE s . B . 5 R E S E A U R E C T P R o Q U E
8 . 5 . r
8 . 5 . 2 8 . 5 . 3s . c . 1
s . c . 2
s . c . 3
s . c . 4
s.c.s
s . c . 5
CHÀPITRES.D.1 F0RMULATIoN DE r.À F0NCTI0N D'oNDE D'EsSAr CRISTÀLLINE
s.D.2 PROCEDURE D'OBTENTToN DES FONCTIONS D'ONDE
i l l
cHAprrRE E
LES TABLES DES COEFFTCTENTS
DE SIRUCTURB Dfi
. . 1
S.8.1
METHoDE
D'oBTEMrroN
DEs coErF,rcrFrrrq î{d'
, r y r ù lLn . . ts.E.z
EvALUATToN
NuMERTQuE
DES coEFprcrEurs DE srRucruRr J44'È,
*LU..., E)
PREMTERE ZONE DE BRILLOUIN.à
GROUPE DU VECTEUR D'ONDE T.
S.8.6 FONCTIONS DE BASE SYI.{ETRISEES DU GRAPHITE TYPE HD(AGONAL
. . 1
cHAprrRE
c
coerrrcrENls DE srRUcruRE pfg.
rNrRoDUcrroN
DEs comFrcrEurs DE srRUcruRE..,oJj't
[r r)
MEEHoDoLocrE
DU cALCUL DEs coEFFrcrENTS Dfl
brvl
PROPRIETES D'INVARIÀNCE DE LA FONCTION DE GREEIV
DEFrNrrroN
DE
Nouv'Arrx
coerFrcrEr\rrs
o" ;ïffi"
ajlr'ri,r)
EQUATIoN DE RmUCTTON TECHNIQUE DE REDUCTION
4 -ÏMTRODUCTION L e s p r o d u i t s d ' i n s e r t i o n d e s c o n p o s é s I a m e l l a i r e s I c ' e s t - à - d i r e c e u x q u i p r é s e n t e n t u n e s t , r u c t u r e d ' a c c e u i l à d e u x d i m e n s i o n s ( 2 D ) s o n t a c t u e l l e m e n t i n t e n s é m e n t é t u d i é s d e s d e u x p o i n t s d e v u e e x p é r i m e n t a l e t t h é o r i q u e e t i I s ' a v è r e e n g é n é r a l q u e c e s m a t é r i a u x o f f r e n t u n g r a n d c h o i x d e c a r a c t é r i s t i q u e s p h y s i q u e s l n t é r e s s a n t e s a u s s i b i e n p o u r d e s a p p l i c a t i o n s p r a t i q u e s q u e p o u r d e s i n v e s t i g a t i o n s t h é o r i q u e s . L e g r a p h i t e s t r u c t u r e t y p e t r e x a g o n a l p r é s e n t e , c o m m e n o u s a l l o n s l e v o i r a u c o u r s d e c e t r a v a i l , u n e s t r u c t u r e d ' a c c e u i l 2 D e L s e s p r o d u i t s d ' i n s e r t i o n ( " G I C " ) t e l s q u e l e g r a p h i t e i n s é r é d ' a l c a l i n s l o u r d s r d e F l u o r e t a u t r e s é I é m e n t s , o f f r e n t u n e l a r g e g i a r n m € d e p r o p r i é t é s p h y s i q u e s e t p h y s i c o - c h i m i q u e s E 1 l . N o u s s o m m e s i n t é r e s s é s p a r u n c a l c u l d e s b r u c t u r e d e s b a n d e s d ' é n e r g i e é l e c t r o n i g u e s d a n s 1 e c r i s b a l e t p l u s p a r t i c u l i è r e m e n t I ' é t u d e d e s b a n d e s d ' é n e r q i e d e s c o m p o s é s " G I C " . U n c r i s t a l e s t c o n s t i t u é d ' u n q r r a n d n o m b r e d e p a r t i c u l e s e n i n t é r a c t i o n d o n t l e t r a i t e m e n t t h é o r i q u e p o u r c a l c u l e r l e s n i v e a u x d ' é n e r g i i e e t l e s f ' o n c t i o n s d ' o n d e n e p e u t ê t r e m e n é à t e r m e s a n s f i n t r o d u c t i o n d ' u n c e r t a i n n o n b r e d ' a p p r o x i m a t i o n s s i m p l i f i c a t r i c e s . L e c r i s t a l e s t t o u t d ' a b o r d c o n s i d é r é c o m m e u n e s t r u c t u r e r é g u 1 i è r e d a n s l e s t r o i s d i r e c t i o n s d e 1 ' e s p a c e ( g r o u p e s s y m m o r - â p h i q u e s ) o u q u a s i r é g u l i è r e ( g r o u p e s non synmorphiques). E n s u i t e r o r t a c l o p t e l e s t r o i s a p p r o x i n a t i o n s f o n d a m e n t a l e s : 1 ' a p p r o -x i m a t i o n a d i a b a t i q u e q u i c o n s i s t e à f i x e r l e s p a r a m è t r e s q u i d é c r i v e n t l e s n o y a u x d a n s l e c r i s t a l , 1 ' a p p r o x i n a t i o n à u n ê l e c t r o n o u a p p r o x i -m a t i o n d e H À R T R E E - F O C K , e t e n d e r n i e r l i e u 1 ' a p p r o x i m a t i o n d e l a s t r u c È u r e d e s b a n d e s . P l u s i e u r s m é t h o d e s n o u s s o n t a c c e s s i b l e s : I a m é t h o d e d e s c o m b i n a i s o n s l i n é a i r e s d e s o r b i t , a l e s a t o m i q u e s ( " L . C . 4 . O " ) , c e I I e
d e s l i a i s o n s f o r t e s ( "1.8" ) , la méthode des ondes planes
orthogona-l i s é e s ( " 0 . P . û ù " ) , I a m é t h o d e d e s o n d e s p l a n e s a u g r m e n t é e s ( " 4 . P . û i l " ) e t
5
-L e c h o i x d e È e l l e o u t e l l e m é t h o d e d . e c a l c u l d . e s t r u c t u r e
d e s b a n d e s e s t g u i d é e n g r é n é r a l p a r les données gu'offrent I e c r i s È a l
s o u m i s à 1 ' é t u d e , e t n o t r e c t r o i x s ' e s t p o r t é s u r I a m é t h o d e K . K . R m a l g r r é l a c o m p l e x i t é d e s o n f o r m a l i s m e , F o u r d e u x c r i t è r e s
p r i . n c i p a u x :
- L e p r e m i e r e s t u n c r i t è r e de convergence ; ra K.K.R offre une
r a p i d e c o n v e r g e n c e d e s c a l c u l s q u ' e I I e i m p l i q u e ; 1 , a r r ê t à l a
D o
v a l e u r { r n a - ( { } = Ù d a n s I e d é v e l o p p e m e n t d . e s f o n c t i o n s d . ' o n d . e e s L
l a r g e m e n t s u f f l s a n t E z J i
- E t 1 e s e c o n d e s t q u e l e s matériaux à structure 2D insérés 5rrésenbent
e n g é n é r a I u n e i m p o r t a n t e i o n i c i t é e n t r e p l a n s , c e t t e p r o p r i é t é
c o n f è r e à c e s c o n p o s é s u n t a u x d e r e m p l i s s a g e êlevé. ce qui permet
d e m e n e r p r o p r e m e n È l a c o n s t r u c t i o n e t I e c a l c u l d . u p o t e n t i e l , é v i t a n È a i n s i d e d é v e l o p p e r l a f o n c t i o n d ' o n d e d a n s 1 e s r é g i o n s i n t e r s t i c i e l l e s e n t e r m e d ' o n d e s p l a n e s d o n t l a c o n v e r g ' e n c e n ' e s t p a s é v i d e n t e . A p r è s c e c h o i x , n o u s n o u s s o m m e s p o s é s l a q u e s t i o n s u i -v a n t e : d a n s q u e l L e m e s u r e e t j u s q u ' à q u e l d e g r ê l a t h é o r i e d e I a s y m é t r i e p e r m e t d ' i n t e r v e n i r , d e r e n d r e c o m p t e e t d e s i m p l i f i e r l e s q u e s t i o n s q u i s e p o s e n t l o r s d ' u n c a r c u r d e s t r g c t u r e d e s b a n d . e s d . ' é n e r g r i e e t n o u s a v o n s a d . o p t é r a s t u c t u r e D h d . u g r a p h i t e t y p e h e x a g o n a l d o n t I a s y m é t r i e e s t l o i n d ' ê t r e a i s é e r - e s t i m a n t a u d . é p a r È q u ' u n c e r t a i n n o m b r e d e q u e s b i o n s s o n t r e s t ê e s e n s u s p e n d . N o u s p r é s e n t o n s c e t r a v a i l e n c i n q c h a p i t r e s :
- Dans le chapitre A7 nous présent,ons Ie formalisme de la méthod.e
K . K . R i n o u s d o n n o n s 1 ' a p p r o x i n a t i o n d u p o t e n t i e l " m u f f i n - t i n " e t à
p a r t i r d e I à , n o u s d é v e l o p p o n s I e c a l c u l d e l a f o n c t i o n n e l l e d e
KOHN et RosrOKER pour arriver au déterminant séculaire par
a p p l i c a t i o n d u p r i n c i p e v a r i a t i o n n e l .
- Le chapitre B donne les informations nécéssaires sur la structure
6
-- L e s c h a p i t r e s C e t E d o n n e n b l a méthodoloqifr,s cal"cul analytique et n u m é r i q u e d e s c o e f f i c i e n t s d . e s t r u c t u r e ] f l 1 ( & r g l - L H . l . p o u r l e s c r i s t a u x
c o m p l e x e s ; l e s p r o p r i é t é s d ' i n v a r i a n c e e b I a t e c h n i q u e d e r é d u c t i o n a t l a p t é e s a u g r r a p h i t e .
- N o u s d o n n o n s e n c h a p i t r e D J e s critères généraux pour la
c o n s t r u c t i o n d e s f o n c t i o n s d ' o n d e e t c a l c u l o n s l e u r f o r m e f i n a l e
7
-CHAPITRE A
FONDEI4E}ITS DE LA MHTHODE K.K.R
APPLICATION AUX CRISTÀUX COMPLD<ES
s . A . 1
I M T R o D U C T I o N
D a n s c e c h a p i t r e , i I s ' a g t i r a a s p e c t s e t c a r a c t é r i s t i q u e s d ' u n c a l c u l d ' é n e r g i e é l e c È r o n i q u e s , u t i l i s a n t l e s t r a i t e m e n t v a r i a t i o n n e l . d ' e x a m i n e r l e s d i f f é r e n t s d e s t r u c t , u r e d e s b a n d e s f o n c t i o n s d e G r e e n e t u n L a l i a i s o n e n t r e c e s f o n c t i o n s e t 1 ' é q u a t i o n d . e S c h r ô d . i n g e r a u x é t a t s s t a t i o n n a i r e s e t à u n é r e c t r o n , a é t é é t a b r i e p a r l e s t r a v a u x d e J . K O R R I N G A t 3 l . Û Ù . K O H N e t N . R O S T 0 K E R t 4 l o n t r e p r i s c e s t r a v a u x a f i n d e p r o P o s e r u n t r a i t e m e n t v a r i a t i o n n e l p o u r 1 ' é q u a t i o n i n t é g r a l e q u i é t a b l i t l a l i a i s o n e n t r e l a f o n c t i o n d ' o n d e m o n o é l e c t r o n i q u e e t l a f o n c t i o n d e G r e e n q u i l u i e s t a s s o c i é e . C e s d e r n i e r s t 4 l o n t a l o r s m o n t r ê q u e c e t t e é q u a t i o n intégrale p e u t ê t r e o b t e n u e à p a r t i r d ' u n e f o n c t i o n n e r l e d e l a f o n c t i o n d , o n d . e . L ' a d o p t , i o n d ' u n e b a s e d ' e s s a i e t 1 ' a p p l i c a t i o n d . u p r i n c i p e v a r i a t i o n n e l c o n d u i s e n t à u n $ é t e r m i n a n t s é c u l a i r e q u i r e p r é s e n t e I a r e l a t l o n d . e d . i s p e r s i o n t = E ( S ; ! e f o n l e s d i f f é r e n t s p o i n t s etd.irect,ions d.e symétrie lc1a. Ia première zone de BRrLLourN.
Les auteurj précéd.emment cit,és ont traité un f ormalisme ne
s ' a d a p t a n t q u ' a u x c r i s È a u x s i m p l e s , c ' e s t - à - d i r e c e u x n e c o n È e n a n t
q u ' u n a t o m e p a r c e l l u l e u n i t a i r e d u c r i s t a l .
F . S . F L A M e Ë B . S E G A L L 8 5 , 6 , 7 J o n t r e p r i s c e f o r m a l i s n e a f i n
d e g é n é r a l i s e r s e s r é s u l t a t s a u x c r i s È a u x c o m p l e x e s E 8 l ( p l u s i e u r s
a t o m e s p a r c e l l u l e u n i t a i r e ) . i l s u t i l i s è r e n t , l a m é t h o d e d . e p . H I I A L D
E9l pour explicit,er Ie calcul d.es coefficients de structure
ryj'
intervenant d.ans res constanÈes d.e structure alXrU;
; ces d.eràières
8
-D a n s I e b u t d ' a l L é g e r I e f o r m a l i s m e , o n a d o p t e r a I e s y s t è n e
d e s u n i t é s a t o m i q u e s f 1 0 1 , o n p r e n d r a a l o r s c o n m e u n i t é d e m e s u r e d e s
longueurs Ie rayon fl.o ae Ia première orbite de B0FIR de l'atome
d'hydrogrène et Ie RYDBERG comme unité de mesure des énergies î
1 ' a p p e n d i c e t A . 1 l d o n n e r a l e s c a r a c t é r i s t i q u e s d e c e t t e é c h e l I e .
N o t o n s e n f i n q u ' é t a n t d o n n é q u e l e f o r m a l i s m e d e c e t t e
m é t h o d e d e c a l c u l d e s t r u c t u r e d e b a n d e s a v a i t é t é é b a b l i p a r
K O R R ï N G A , K 0 R N e t R O S T 0 K E R , Ia m é t h o d e e s t c o n n u e s o u s l a d é n o m i n a t i o n K . K . R .
s.A. 2 F0RMALISI4E GENERAL
.>
P o u r d é f i n i r n o t r e c r i s t a l c o m p l e x e , n o u s d é s i g n e r o n s p a r à ^ t o u t v e c t e u r d e t r a n s l a t i o n d j l r ê s e a u j i r e c t . I I s ' é c r i t à l ' a i d e d e s t r a n s l a t i o n s p r i m i t i v e s i ^ , Ç " t G 3 d . é f in i s s a n t l a c e l l u l e é l é m e n t a i r e d u c r i s t a l s o u s I a f o r m e : N o u s s o n m e s é v i d e n m e n t i n t é r e s s é s p a r 1 a r é s o l u t i o n d e I ' é q u a t i o n d e S c h r i i d i n g e r a u x é t , a t , s s t a È i o n n a i r e s e t à u n é I e c t r o n d a n s l e c r i s t a l :r A . 2 . 2 f
{-
o"* w(È)
} Til È;= Et n/*tÈ
- à - > + - t
Drrr = uLtT^ + ulr,Tf, + ^ZTl
a v e c ,r v r i = oi !Â) tL;...
N o u s n o t e r o n s e n s u i t e p a r
v e c t e u r l o c a l i - s a n t u n a t o m e i a o n n g
{ é I é m e n t a i r e d u c r i s t a l , € E c e c i p a r m o m e n t a r b i t r a i r e . a v e c u n e é n e r g i e p o t e n t i e l l e p é r i o d i q u e , I a s y m é t r i e p a r r a p p o r t a u x t r a n s l a t i o n s , 1 ' é q u a t i o n :i;
t i=
t,L,3.., rour rayon
ct à l ' i n t é r i e u r d e I a c e l l u l erapport à une origrine pour le
8 A . 2 . 1 l
c ' e s t - à - d i r e s a t i s f a i s a n t
c o n d i t i o n t r a d u i t e p a r
9 -f n t r o d u i s o n s l e s f o n c t i o n s d e G r e e n d é f i n i e s p a r I ' é q u a t i o n d i f f é r e n t i e l l e :
e t d a n s c e s c o n d . i t i o n s l e s f o n c t i o n s d ' o n d e T h ( D
s o n t d ' u t y p e d e
B L O C H
e t s a t i s f o n t à !
T*(â-i^)=
i;È'%(i)
t A . 2 . 4 1 t A . 2 . 5 l / I a f o n c t i o n à r e p r é s e n t e I a d i s t r i b u t i o n d e D I R A C e t l e s f o n c t i o n s G g t T r î ) s a t i s f o n t a u x m ê m e s c o n d . i t , i o n s v i s à v i s d . e s t r a n s l a t i o n s , à s a v o i r i t A . 2 . 6 l e n p l u s d e l a c o n d i t i o n d ' t r e r m i t i c i t é :{ot* EiJ Ga(ùi) --â(i-È')
Gi,i,i,) = Gg
(?,i)
- à +
Ç. Ci = â,-Tr.
p
a v e c '
p e z ,
t L i = ) r L r 3 ,
htT,i')
Çtùi,-È^)
= i*'='È^
Si maintenanÈ nous définissons les noeuds du réseat1;:éciproque par des
p o i n t s é q u i v a l e n t s d é t e r n i n é s p a r l e s t r a n s l a t i o n s l d - t e t l e s q u e 3
r . A . . 2 . 7 )
E A . 2 . B ]
les fonctions de Green peuvent alors être développées selon une base
d ' o n d e s p l a n e s d a n s I a c e l l u l e é l é m e n t a i r e d u c r i s t a l s e l o n :
si(i*È^)(i-r)
Gnrùi')=
+-à
d*Ëdt- Ei
E A . 2 . 9 lIe paramètreJL représenÈe le volune de Ia cellu1e étênentaire du
c r i s t a l .
1 0
-D'autre part res fonctlons î{ttÈ)
"t
<Ùit)
aoirr"r,t sarisfaire
a u x m ê m e s c o n d i t i o n s d e c o n t i n u i t é a u x l i m i t e s I i m i t e s de 1 a c e l 1 u 1 ed e 1 a r - c ' l l r r l e é l é n e n È a i r e , c ' e s t - à - d i r e :
.>
. E
ÈGg
Gg
cx,i,) = i.'ù'è
i
= 2 -
I
1E(i)
e t ,G; tÈ, i,)
. È - >
t*h
t"J
(
.Jît
8 4 . 2 . 1 1 1Cte
q JtÈ,i'ù
é 1 é n e n t a i r e r d . u cristal
e t , I ' o p é r a t , " , r r çL_ la
- - è l vs u r f a c e , ( r p étant un vecteur de translation
e t à ( c f . f i g u r e E A . t l ) .
- > . >
t l a e t À représentent d e u x p o i n t s c o n j u g u é s d e l a s u r f a c e d e l a c e l l u l e
d é r i v é e n o r m a l e à c
p r i n i t i v e j o i g n a n t
P o u r r e m p l a c e r 1 e p r o b l è m e aux linites
g u e r e p r é s e n t e n t les
ê q u a t i o n s E A . z . 2 f e t f A . Z . t O l , m u l t i p l i o n s E A . Z . Z J p a r Étilri,)
" a
l e c o n i u g u é c o m p r e x e d.e t'équation EA.z.5l n"r
$ E t È )
, â L , r " - o b ' t " n o n "
a p r è s i n t é g r a t i o n
s u r r e v o r u m e 5 l d . e r a celrule élémentaire :
TZ(È)
=
[..",
G*(4*)h,(i,)
yh(i,)
E A . 2
. L 2 )
l ' é q u a t i o n i n t é g r a l e p o u r l a f o n c t i o n . E l l e m e t e n é v i d e n c e l a l i a i s o n e n t r e l e s f o n c t i o n s d e G r e e n . È etÈ)
e E K O H N e t R O S T 0 K R E 4 l o n t m o n t r é q u e 1 ' ê q u a t i o n E A . 2 . L Z J e s t é q u i v a l e n È e a u p r i n c i p e v a r i a t i o n n e l :6ru
e t t e
-itàE
c e d e r n i e r r é s u l t a t r e p r ê s e n d' onde monoélectronique - n+fû lra 1 e s é q u a t i o n s d e S c h r ô d i n g e r (5|.'{
.\? (rt} = - rtÈ ?:{[
nu ( ù]'EA
z lol
JC
d",t
r-a r . ? / l \'
ïE t
'es;l
5r=
d r1i.l2
â d,a)= o
E A .
2 . r 3 l
I I -F I G U R E E A . 1 ] l i n i t , e s d e l a c e l l u l e / \ \ \ Problème aux ê 1 é m e n t a i r e .
o ù r e
" y n n o r . 5
d é f i n i e p a r !' 1 2
-r e p -r é s e n t e d e s v a -r i a t i o n s
e t : z l l a f o n c t i o n n e l l etL =F" vËtD w(r)
{ n,Ê) -!.Gsrr,i)wrï,1*
r Çe,4i2
wri) n{*rf2
$à,
}
I l e s t a l o r s é v i d . e n t d ' a p r è s t 4 . 2 . 1 4 1 q u e s i I a f o n c t i o n d ' o n d e T * f i ) v é r i f i e 1 ' é q u a t i o n d e l i a i s o n f A . z . L Z f a l o r s o n a u r a irtIn1r3tÈ),tr,e]=
o
p r e n o n s donc
ï r * . b a s e { 4 r à Û " " r
} a q u e t r e o n p u i s s e d ^ é v e l o p p e r l t * t i )
n o u s p o u v o n s é c r i r e q u e :
YncÈ;=
+ &,È frr
t
q u e l ' o n s u b s i t u e d a n s 1 ' é g u a t i o n E A . 2 . L 4 fi)
e t
JL=
Lr,1 cpr8
Ê.4,,
{,*1. wrt).fr,È)J3à
r Gnrùftwci,)
*e(i2Ja_
J3z, .
Reprenons mainÈenant I a f o r m e ; I e p r i n c i p e v a r i a t i o n n e l q u eârt
â f*n
t A . 2 . 1 4 1 t A . 2 . I 5 l avec :{rtfr
P"rg
= [ t A . 2 . 1 5 1 a r r i v o n s àI ' é c r i t u r e
:
r A . 2 . L 7 f
E A . 2 . 1 8 1 1 ' o n r é e c r i t s o u s- {L*iti)wcË)"
6tt =
6*irfr = o
E A . 2 . 1 9 11 3 -n o u s o b t e -n o -n s à I ' a i d e d e 1 ' é q u a t i o n E A . 2 . L 7 f z E À . 2 . 2 0 3
'Er'û=o
a v e c :Pt1€. -ùf
c e t t e d e r n i è r e é g a l i t é r e p r é s e n t e u n e n s e m b l e d ' é q u a t i o n s l i n é a i r e s e n É p ; E . a s a r é s o l u t i o n n e s e r a p o s s i b l e g u ' a v e c I ' a d j o n c t i o n d . e l a c o n d i t i o n s u p p l é m e n t a i r e :déberrninanrJ
"I
I :
L
/LF;'
.|
=e
L*.z.zrr
L ' é q u a t i o n ç i S . 2 . 2 f f r e p r ê s e n t e l e d é t e r m i n a n t s é c u l a i r e c t r e r c t r é . C e s é 1 é r n e n t s tirrcontiennent i n r p l i c i t e m e n t 1 ' é n e r g r i e E e n f o n c t i o n d u v e c t e u r a ' o n à é ' Ï " t c e c i p a r f i n b e r m é d i a i r e d e s f o n c t 'ions Èt . È,i)
/ \ + ' l c e l a a p p a r a i t d a n s I a f o r m u L a t i o n f A . 2 , I B l . L e d é t e r m i n a n t ç À ' . 2 . . 2 I 1 r e p r é s e n t e p a r c o n s é q u e n t I ar e l a t i o n d . e d . i s p e r s i o n -8,= É(&Felon les d.if f êrents points et
d i r e c t i o n s d e s y m é t r i e ) 4 " , I a p r e m i è r e z o n e d . e B R I L L O U I N . T o u t e f o i s l a m ê t , h o d e K . K . R e s t u t i l i s é e p o u r r é s o u d r e d e s p r o b l è m e s o ù I ' o n p e u t c o n s i d é r e r q u e l e p o t e n t i e l a u n e f o r m e s p h é r i q u e , e t q u i d a n s s a c o n s t r u c t i o n e x c l u t t o u t r e c o u v r e m e n t .
f,,,
z
P
s.A.3 CHoIX D'.UN PoTEIUTTEL POUR UNE PRAlrgIrE DU CALCUL
S i 1 ' é q u a t i o n E A . 2 . ? L J r e p r é s e n t e I a r e l a t i o n d e d i s p e r s i o n r e c h e r c h é e , e l l e e s t q u a s i m e n t i n u È i l i s a b l e s o u s c e t t e f o r m e t i l s ' a g r i r a i t e n e f f e t d . ' é v a l u e r l e s J Ë ; q d o n n é s p a r I ' é g a l i t é E 4 . 2 . 1 8 1 c e q u i n é c e s s i t e r a i t l e c a l c u l d S I a f o n c t i o n d e G r e e n p o u r l e s d . i f f é r e n È e s v a l e u r s d . e E e t d e - & - e t l u r t o u t l ' é v a l u a t , i o n d . ' i n t é -g r a l e s à s i x d i n r e n s i o n s . C e d e r n i e r c a l c u l s e r a i t r e n d u e n c o r e p l u s . d . i f f i c i l e p a r I e f a i t q u e l a f o n c t i o n d e G r e e n a d m e È d e s s i n g u l a r i t é s e n i=1,'et q u e I a r é g i o n d . ' i n t é g r a t i o n e s t u n t r y p e r c u b e c o m p l e x e .
1 4
-E n 1 9 3 7 ' S L À T -E R -E I I , I 2 l p r o p o s a l a m é t h o d e d e s o n d e s p l a n e s
augmentées ( "APW" ) basée sur Ie schéma suivant : d.ans le cristal
1 ' é n e r g i e p o t e n t i e l r e d ' u n é I e c t r o n q u i s e r a p p r o c h e d . , u n n o y a u a t o m i q u e d e v i e n t g r a n d e r p é g a È i v e e t à s y m é t r i e s p h é r i q u e ( situation d o n c s i n i l a i r e a u c a s d ' u n a t o m e i s o l é ) , p a r c o n t r e d . a n s l e s r é g i o n s i n t e r s t i c i e l l e s 1 ' , é n e r g i e p o t e n t i e l l e d . e s é l e c t r o n s v a r i e I e n t e m e n t e t j o i n t d e f a ç o n c o n t i n u e 1 a r é g i o n p r è s des noyaux.
Pour développer une approximation et donc une pratique d.u
c a l c u 1 ' S L A Î E R c o n s i d è r e q u e 1 ' é n e r g i e p o t e n t i e l l e e s t à s y m é t r i e
sphérique autour d.e chaque atome j d.e Ia cellule étérnentaire d.u
c r i s t a r , à f i n t é r i e u r d ' u n e s p r r e l e a e r a y o n
f q c e n t r é e s u r l , a t o m e 4
( c f . f i g u r e E A . 2 l ) e t à I ' e x t é r i e u r d e l a s p h è r e e n q u e s t i o n l e p o t e n
-t i e l s e r a c o n s i d é r é c o m m e c o n s t a n t ; cebte forme d.e potentiel e s t
c o m m u n é m e n t d é n o m m é ' m u f f i n - t i n " e t o n p e u t l e f o r m u ] e r c o m m e s u i t :
-.t,
aÀ
.>
4i
I e r a y o n ?; sera considéré comme un paramètre et d.éterminê complète-r €
m e n t p a r l e s c a r a c t é r i s t i q u e s d u c r i s t a l . S i d o n c n o u s c o n s i d é r o n s d a n s n o t r e construcbion q u e l e s d i f f é r e n t e s s p h è r e s n é s e r e c o u v r e n t p a s e t si on procèd.e à un c h a n g e m e n t d ' o r i g i n e d . e s é n e r g i e s t , e r r e q u ' o n r é a l i s e Wp1=g ; arors I ' é v a l u a t i o n d e s i n t é g r a l e s E 4 . 2 . 1 8 1 s e r a c o n s i d . é r a b l e m e n t s i m p l i f i é e e t I a d o u b l e i n t é g r a t i o n s e r a l i m i t é e a u d o m a i n e i n t é r i e u r a u x s p h è r e s d u p o t e n t i e r d . a n s l a c e l l u r e é r é m e n t a i r e d . u c r i s t a r .
Le potentiel étant donc à synétrie sphérigue autour de chague atone
i
et à f intérieur de chaque sphère atomique, nous obtenons une équation
d.e Schrôd.inger"solvabl""d."rr" ra base
f
prtL)
YCrr.(er.f)] ,
êE i"
s o l u t i o n e x a c t e d . e n o t r e p r o b r è m e " . r " t d " l a f o r m e i
ao
nt= -t
) ={=o
r't=-.L
( ,i(trt-Èd
n)
w(f,)={
L
t"= rf.
pour
pour
ilÈ-Ir <
rd
ll >fi
E A . 3 . 1 l E A . 3 . 2 l->
+
Irg
Jftt
çt,:nlpr
)ln (â,d
1 5 -n o t r e t r a i t e m e -n t variationnel une évidemnent, pour et nous t,enterons forme convergente
l:" ,â)
Tn(i;)=
-
Z
2=o
ryrL
aj t'.ày
'/r* ( oj , ?à )
. --t)
n â'h
*lr-f A . 3 . 3 l s o l u t i o n d enjr.if es
1 ' é q u a t i o nJ-t
Læ
t I a f o n c t i o n r a d i a l e f i n i e à 1 ' o r i g i n e ) u ; = g e b ( d i f f é r e n t i e l l e :tt'S* ry1w;(a.)-Er.JÇât,,.1=
o LA
3 4l
l e s f o n c t i o n s
X [ " d
s o n t l e s t r a r m o n i q u e s s p h é r i q u e s d . é f i n i e s p a r
E 1 3 l :
( /r,*(
e,
ç)
=,-ri*{
H Hj,f ttcose)
/*Y
I
\ w
r y n
+
L/*,-^te,ç)
-- ç)) ,
/il,*,",e)
rA.3.5l
a v e c ! = O , 1 , 2 1 3 . . . e t m = O r L 1 2 r . . . r L
B?*tf
représenÈe le polynone d.e LEcETIDRE
d'ordrel,,(Urn)
étant 1e
] 5 -F I G U R E E A . 2 l : s p h è r e s d u p o t e n t i e l
-+
t â
-t>*T
od
'\lj
ît
di\
lri'
F I G U R E E A . 3 l : r e p r é s e n t a t i o n s p h é r i q u eL 7
-s.A.4 WALUATIoN DES EtEMETVTS DU DH|ERMTNANI SECULATRE
N o u s a u r o n s d o n c à e x p l i c i t e r I a f o n c t i o n n e l l e - f L d . o n n é e p a r
1 ' é q u a t i o n E À . 2 . L 4 f e t c e c i d a n s l e c a d r e d e l ' a p p r o x i m a t i o n d ' u n
p o t e n t i e l " m u f f i n - t i n " . P o u r e e f a i r e n o u s d e ' - ' o n s t e n i r c o m p t e d e l a
s i n g u l a r i t é d . e I a f o n c t i o n d e G r e e n a u p o i n t È = l ' ; n o u s r é g l o n s c e
p r o b l è m e e n p r e n a n t c o m m e d o m a i n e d ' i n t é g r a È i o n d e s s p h è r e s d e r a y o n s
fq-âer
f;-
LZ(ç{"t
on écrit que :
l a l <
r A . 4 . 1 l
J\- =
lLz
a v e c , 4 . 4 . E A T A n t I a o nF
noÂ. = 7
{,:':r"f;
tï;;wg(oà)
^{
^frtî;)-I \rftlei-
L
-
i {,,i::!'
Ge(Ri'ià')'
%'(nl
) Tr'Ti')}
q oà'.
ril :
u t i l i s e I a f o r m u l e d e G r e e n ,LI vvi
- +v?]r*
={{r*t-
+s[r]
,,
r e p r é s e n t e I a s u r f a c e e n v e l o p p a n t I e v o l u m " S I ,
$ *
u t "
r m a l e à I a s u r f a " "
F
i c e q u i d o n n e :
3 l d é r i v é eagu(
ie
) - i {;t, Çrî;,ii1
{, rnl,)
^f-.r1,
= nrfr.re)_
ï Inl;tj
G*
t {', i;' )
S
"i, - ç,"1,)
*,,
nif}
ù
-
i{, ,1il Tâ(ilr(qï+e)
G*(ia.i'iù
avons 1 4 . 4 . 5 l nou
x
e
- t \\l I
t l )I J I
t à5
i?à
à t)r
p l | n o l -, à=n
,3
de obtrI
I
l coà'
tiâ
fr
J
e p r u s tenons 1 l-o t â '
i'=
lj'-l, ?1.,
n o u s r é u t i l i s o n s I e t h é o r è m e d e G r e e n i n t é g r a l e d e l a f o r m u l a t , i o n E A . 4 . S l e t,.z=
4ll:,{rËlrirà-4
î r,,ir
= ri _re)
Qtt,îà')dlE4:, - T*,i1,):[,qÊ(È,,rD]
,A
4 5l
p r e m i è r et A . 4 . 3 l p o u r l a
on about,it à :
J
* - r . 1
_i-
Yr(u) I
( - - q L ' r - r Jrdq'
rrl,f t,t,il,)
*,1
t
-Or^94
\r
,
^4J
.ru,,f
^è =
7à {,ï;;f?{{^1ict'ù-erË'iiÛ'
e n c o o r d o n n é e s s p h ê r i q u e s I a d é r i v é e normale coincide avec l'opérateur
I
cl ' ce qui fournit dans re même systène de représentation :
da-E A . 4 . 7 lJ *à,
Fj,(nj,
=
1 8 -c e -c i d ' a p r è s 1 ' é q u a t i o n E À . Z . Z f e t t A . 4 . 3 l(q,*t) C*(iil,) = 6ci, -tr'a,
)
et nous
A. = Z t 4 YË
dj) w;(È;
r*J
- >
- -t -
î
't.
fi-g:
J' ={'=ai
^l -
f
I q.,t,'"i,)
{:&(ïà,r-
J"J
- ^/*ci;'ls|,q
- Ts,ilrù,br{,ti,}
1 9 -r l n o u s -r e s t e m a i n t e n a n t à e f f e c t u e -r r e c a l c u r e x p r i c i t e d . e l a f o n c t i o n n e l l e J L 2 | p o u r c e l a n o u s p r e n d r o n s p o u r f o n c t i o n ^ d , o n d . e m o n o é l e c t r o n i q u e M ( E ) a u v o i s i n a g r e d ' u n a t o m e ) d e I a c e l r u l e<l é l é m e n t a i r e d u c r i s t a l , c e l l e d o n n é e p a r 1 ' é q u a t i à n E A . 3 . 3 l e t p o u r I a
'|\ r?;.if,ô
I
foncÈion
b;|l.
f " {t /
..-*- ra poserons comme s-omme
d.e d.eux solutions
l 4 l , u n e r é g u r i è r e eb une singulière en ù =T1r, et nous aurons en
tenant compte du d.éveloppement,,
o
<I
.
ik tÎ-;,1
_ 4 _ I
- r-
ffi
= -
fi+t{["'rrkr)-i{rr
rz')]
/t,,rn*)
.71,,.î".,:j-,
f ctrn à< h,f
I a s o l u t i o n s i n g : u 1 i è r e ,= -/t
4-Ir
l ^ + - +q(T,t,)
e-osrliâ-i'àrlt
l1 -ï';'rr
= k . 2 d*(*"4)nrr(x,ul)
[^te;,fg) /*J "j,,
e t c e t t e r é g u l i è r e , . . 1vl,)
E À . 4 . 9 lr*(1 ià,) = FÀ/i:r r,;, {j-^i)drr,.{,
/*,rj ) )iJ'nâ,) EA.
4.
I 0l
c e q u i f o u r n i t I a s o l u t i o n g ' é n é r a l e :
G*,1,î1,)
=
àË"[ &*,.r,,r
{r(ot)fi,(rf;,)
+
d e r n i è r+ k L,5^^
5u,
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o n I f o r n u l a t i o n s r e s t e n t v a l a b l e s- â g ' [ ' a v e c :
k= vE
,<=;t-e t E A . 4 . 1 1 1 E A . 4 . L 2 ) ( ààl,)(
Ê ) o
E1o
o n d i t i E 4 . 4 . l 2 le s t
i n t r o d u i t e p a r l a s o l u t i o n 8 4 . 4 . 9 1 .. . r
2 0
-,e4
L e s c o e f f i c i e n t s ^ f " ! r f , r r . t q u ' o n v i e n t d ' i n t r o d u i r e s o n t c a r a c t é r i s t i q u e s d e l a s t r u c t u r e d r : c r i s t a l é t u d i é , I e u r é v a l u a t i o n e s t i n d é p e n d a n t e d u p o t e n t i e l c r i s t a l l i n e t l e u r m é t h o d e d ' o b t e n t i o n s e r a e x p o s é a u c h a p i t r e C .Les fonctions
l"ir.)
et 'na(L) sont
N E U M A N s p h é r i q u e f f 1 4 l ; e l l e s s o n t standard -t par : r e s p e c t i v e m e n t c e l l e s d e B E S S E L e t r e l i é e s a u x f o n c t i o n s d e B E S S E L
{
dr,"t
=
(-=^f'J"**,n)
L \2rL)
= ,_rl*^L\f,J*_+(L)
f A , . 4 . r 3 l
l e s p r o p r i é t é s d ' o r t h o g : o n a l i t é d e s L r a r m o n i q u e s f a i s a n t t e n d . r e t + O o n t , r o u v e p o u r I a f o n c t i o n n e l l e A v e c c e s d o n n é e s , s p h é r i q u e s r e t , e nJ L :
"f'^, "{t',,i,^
4'r4l
(rtrj)r
t\=
i i Ë'.
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a v e c I . . f^d{
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$t,- dr,*s)r
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ou
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Et
J-
- àà*H
-a
nll,t!,)
àal3t
{rr' Lr1,
*
8 4 . 4 . 1 5 12 L
-C e c i é t a n t ' p o u r r é e x a m i n e r notre procéd.ure variationnele, r t o u 6
c o n s i d é r o n s q u e I a f o n c t i o n n e l l e - Â - e s t u n e f o n c t i o n d . e s p a r a n è t r e s
Cl{ , soit :
A
-a-
!- -xA
-*tl
*i
^+e
-l
--J L = J - L i O - f , - - ( . t - - t - i f À . 4 . i 6 j
l_ \oo I ,-ro i
- -.- , Ètr^r...i F4,.,*.G,i),
f'c(ù
r e p r é s e n t e l e n o m b r e t o t a l d e s a t o m e s d e l a c e l l u l e é l é m e n t a i r e d . u c r i s t a l e t 1 e p r i n c i p e v a r i a t i o n n e l s ' é c r i r a :
eu^
c e q u i f o u r n i t d ' a p r è s 1 , é q u a t i o n l - i n é a i r e s e n F.&.rtl,t'f , â ' :5 ffl = o
rA'4'
171
E A . 4 . t 4 l l e s y s t è m e d ' é q u a t i o n s{tt =
ârt
o f ,lri
f d,"ir
Ht-6,*ï)
o],
rï'I
a4lt
E
r4
cl.e^t']*=
bien ent,endu fixés colonne par :
E 4 . 4 . 2 1 1
,-t
à { r
),nl
,{,,t
rrulr)
-l
r
,1,
l
à
'"i'' 'l ri - ^il,i'*' J = o .o.4.r'l
I ' é c r i t u r e t A . 4 . l 8 l é t a n t f a i t e p o u r r e t r i p t e t f i x é ( j , 1 , m ) . N o u s o b t e n o n s u n e s o r u t i o n c o m p a t i b l e d u s y s t è m e E À . 4 . 1 8 1 a v e c l ' a d . j o n c t i o n d e l a c o n d i t i o n : d é t e r m i n a n t é I é n e n t s d e m a t r i c e d u d é t e r n i n a n t a 1 g é b r i q u e s d e s d é t e r m i n a n t s i
ligne par 1a quanÈité :
j , I e t m é t a n t d i v i s o n s c h a q u e ,,
fi
xZ
+'
A f i n d e f a c i l i t e r 1 ' é v a l u a t i o n d e s 8 A . 4 . 1 9 1 o n e x p l o i t e l e s p r o p r i é t é snous divisons parconsêquent chaque
pour chaque ligrne,
1 4 . 4 . 1 9 1 E 4 . 4 . 2 0 1 plus nous
{,ft'il;)"
, g{,{{
- >rIt=
74
f t l j , I e t m - é t a n t f i x é s d é t e r m i n a n t s i m p l i f i é
2 2
-pour chaque
c o l o n n e c e q u i n o u s o f f r e I eI
l=.
I
Pi'
I
22J L e d é t e r m i n a n t t À . 4 . ? 4 J a s s u r e l a c o n n e c t i o n e n t r e I e s d . i f f é r e n t sp o i n t s e t d . i r e c t { g n s Te1 ae symétrie par f interméd.iaire d.es constantes
d.e structure A1!
l f ^ r t ;
e t d e s é n e r g i e s é l e c t r o n i q u e s E p a r l , i n t e r m é
-d i a i r e d u p a r a m è t f e ^ b t t r e p r é s e n t e e n c o n s é q u g n c e I a s t r u c t u r e d e s
b a n d . e s d . ' é n e r g i i e E= f($)
s e l o n l e s d i f f e r " r , a " E;U"-f"
p r e m i è r e zônt
d e B R I L L O U I N . 1 1 f a u d r a i t p o u r ê v a l u e r f A . 4 . Z Z J , c o n s t , r u i r e u n p o t e n t i e l a u t o u r d . e c h a q u e a t o m e j d e I a c e l l u l e d u c r i s t a l , r é s o u d r e . 1 ' é q u a t i o n r a d . i a l e E A . 3 . 4 l a f - i n d . ' o b t e n i r l e s f o n c t i o n s r a d . i a l e s q l C l ) e t é v a l u e r l e sd érivées losarithmiques r$<t.
ahi
P o u r c h a q u e v a l e u r d e 1 o n a u r a 211+1 valeurs de m et en limitant I e
déveroppement d.e la fonction d.'ond.e à Ia vareur l=luo.(à)
"" aura
n ' , , r f , l
+ @xt+tJ+,.- * (f.e,,,.r.(il+/)] triprets ( j,r,n) : c,esr l,ord.re
d u d é t e r m i n a n È E A . 4 . 2 2 ) .
s.4.5
UTILISAUoN DES HARMONIQUES
DU RESEAU
i
L a d u r é e d u c a l c u l e s t é t r o i t e n e n t l i ê e à l , o r d r e d . u
d.éoterninant, tA.4 .22) : pour re group" Dâ 7 en Ee rimitant à
, L r . l a c , Q l = À , c e t o r d r e s e r a i t d e L E , m a i s i I s e r a i t d . e 3 6 p o u r
ô
-- l ^ n Ci)=t, I e d é t e r m i n a n t é t a n t e n o u t r e à t e r m e s c o n p l e x e s .
La t'héorie des groupes permet d'abaisser considérablement
c e t o r d r e . E n e f f e t , à f i n t é r i e u r d e c h a q u e s p h è r e a t o m i q u e j r l e s f o n c È i o n s d ' o n d e p e u v e n t s e m e È t r e s o u s la forme t ;
Y{,x)=
È*c\*qc1)
$rrt
l'.
dr{ 4l^,0,*
+ kJgrl*L*,,
I
E A . 5 . 1 lles fonct,ion" 4lËsont, d.es
niques spneriqïâs d.e même
44rL
d1 =
2 3
-c o m b i n a i s o n s I i n é a i r e s s y m é t r i s é e s d , h a r n o
-I ; ce sont les lrarmoniques du réseau :
z
!1nnt^r.*X^
f A . 5 . 2 l
l e u r o b t e n t i o n
f A . 5 . 3 l N o u s donnons e n c h a p i t r ei r r Ç r r c r p r L r e r J r a p r o c e o u r e I a p r o c é d u r e a s u l v r e s u ] ' v r e p o u r r e u r r o b t e n
a i n s i q u e l e u r fggme pour tous res grroupes de synétrie
9 ( l i ; ) a . =
v e c t e u r s d . ' o n d e XtU" la première zône d.e BRILLOUIN
r
À v e c l e s r e l a t i o n s f A . 5 . 1 l e t E À . 5 . 2 1 I a f o r m u l a t i o n d e I a f o n c t i o n d ' o n d e a u t o u r d ' u n a t o m e j d e r a c e l l u l e s e m e t s o u s r a f o r m e :
Tt,l)=
Lrt
z
flnçirq).6
\*yr^rii)
e t I e d é t e r m i n a n t t A . 4 . Z Z J d e v i e n t :,àtL
ts{i'
I.lr1ir'r'
* u5aâ'L,6*
f i lBr)r*,sont
reliés à ceux
par :!xl,,u,
=
è*
{.î:i^I
^rur,
di:I,
o ù l e s c o e f f i c i e n t s
dl,,*
8 4 . 5 . 5 l f A . 5 . 3 l . c o m m e c e l a a p p a r a i t d a n s l e s é q u a t i o n s E A . 4 . z J , E A . 4 . r 4 l e t t i o n i r d ' o n d eL ' i n d i c e
f , a é t é i n t r o d , u i t p o u r s p é c i f i e r u n e . r e p r é s e n t a
-uctible
donnée pour un groupe d.e synétrie
3(&;)
d.u vecteur
de Ia première zône de BRILLOUIN.
L ' o r d r e d u d é t e r r p i n a n t E A . 5 . 4 l s e r a p a r c o n s é q u e n t égal au n o m b r e d . e s c o e f f i c i e n t s E j r j , " t t o d u i t s atr d . a n s l a f o n c t i o n d , o n d e E A . S . 3 l e t l e p r i n c i p e v a r i a t i o n n e l E À . 4 . L 7 7 s ' a p p l i q u e r a b i e n e n t e n d . u p o u r c e s c o e f f i c i e n t , s . r ê d
a
2 4
-CHAPITRE B
SYMLTRIE TRIDIMEI{SIONNELLE
DU GRAPHIIE
$ . 8 . 1 R E S E A U D T R E C T L a s t r u c t u r e c r i s t a l l o g r a p h i q u e d u g r r a p h i t e t y p e h e x a g r o n a l a é t ' é d é t e r m i n é e p a r J . D . BERNAL tr5l et f,tÀuGHrN t r 6 l . N o u s d é f i n i s s o n s l e s n o e u d s I e s t r a n s l a t i o n s p r i m i t i v e s
n o u s a v o n s l e
+
u n i t a i r e s 4 r ,
du->
c,
da c o o r d o n n é e s"t?5,
Æ L à
o[-t
rÈâ
a v e c e n u n i t é s a t o m i q u e s Id f l = 4 . E 4 L L G 7
u . a
1 2 . 6 5 3 6 0 7 u . a ce qui donne le rapport,2 . 7 2 6 3 8 4
Le paramèt,re d représente la distance carbone-carbone et C
l a d i s t a n c e e n È r e d e u x p l a n s d e m ê n e nature, c'est-à-d.ire p a r r a l l è l e s e t t e l s q u e I e s a t o n e s d e carbone se projettenÈ l e s u n s s u r l e s a u t r e s s e l o n 1 a d i r . " c i o n f , ( p t a n s p I e t p 3 d . e I a f i g r u r e E B . I I ) .
o
+ + - '
À 1 ' a i d . e d e s v e c t e u r s C a , C a , " t Ç o n c o n s t r u i t l a c e l l u l e é I é m e n t a i r e d u c r i s t a l d e I a f i g u r e E B . 3 J , s o n v o l u m e 5 l - e s t d . o n n é p a r l e p r o d u i t mixte : r é s e a u d i r e c t d e c e t t e s t r u c t u r e p a r .rl, È , Ç r e L ç t d e s f i g u r e s t B . I l t B . Z l e t n s I e r e p è r e ( O X Y Z ) d e v e c t e u r su r s
+
or
*gaïl
-,J>2-z
r+C 4 =
+
cL--+
G s =
t B . 1 . 1 1r B . 1 . 2 l
E B . 1 . 3 l c = asr= tZ.(e"àll
E B . 1 . 4 f
-25-s o i t , -à 0. dans la € d i c t é e p a r s i t u e à I a v o i s l n s .
2
5L = a...6 =
2 3 6 . O 4 7 5 5 9 , U . q , L a t r a n s l a t i o n d e v a l e u r C / 4 e f f e c t , u é e c o n s t r u c t i o n d e 1 a c e l l u l e é l é m e n t a i r e I a n é c e s s i t é d e m a t é r i a l i s e r I e c e n t r e m o i t i é d e I a d i s t a n c e e n t r e d e u x p l a n s P a i s o n s l e d é c o m p t e d a n s l a mai_lle ,=I . - + Â - * ^ n o u s s a v o n s q u e I ' a n g 1 e e n È r e 4 " t T O " " t ( T ^ r E " ) = L z o o , e t q u e chaque atome B et À compte pour una l o r s q u e s u r l e s a r ê t e s p a r a l l è l e s P o u r l e s a n g l e s à L Z } o : 4
F o u r l e s a n g r l e s à 5 0 o : 4
c e q u i r e p r é s e n t e u n t o t a l d e q u a t r e a t o m e s d . a n s I a c e I I u I e é I é m e n
-t a i r e d u c r i s -t a l d u g r a p h i t e .
U n c a l c u l é I é m e n t , a i r e d o n n e l e s c o o r d o n n é e s d.e ces quatre
a t o m e s d a n s I a c e I I u I e d u c r i s t a l e t c e c i d a n s I e r e p è r e ( O X y Z ) : E B . I . 5 ] s u i v a n t I a d i r e c t i o n d u c r i s t a l e s t d ' l n v e r s i o n q u i s e g r a p h i t i q u e s , ' s o i b 2 x I on aura : = 2 a t o m e s , E B . I. 6 ] I a f i g u r e Pl aux d ' a t o m e s d ' a t o m e s
=g
6=!
6a t o m e
+
, ? -5 x 1 3 x I 6+
1,;*%
z/,;q Èâ
+
+
È,, = ;i = t/,* ?â
â"=
t3 Ëie +î1+4
È= = ,i^ -- inù + a/26t2
ân = æ4= *&* *wA,lt
Si maintenant on pose T-A|nous voyons
t B . 3 l , g u ' o n p a s s e d e s a t o m e s A e t B d ,
atomes Al et BI du plan graphitique p2
Ii^^
trÈ, = ôÈ*
t
manifestement sur un plan grraphitique e n f a i s a n t , E B . 1 . 7 l2 6
-eu
,1'
Il
---'-rQ
2 7
-28-e-{
Qx
2 9 -C e s r é s u l t a t s s o n È u t i l e s p o u r 1 ' é v a l u a t i o n - Li, . [ ) ; ; p o u r l e s d i v e r s a t o n e s j e t j ' = I , 2 , 3-tn d o n n o n s d a n s l a t a b l e E B . ï l l e s d i f f é r e n c e s n u m é r i q u e d e s c o e f f i c i e n t s p a r s u i t e n o u s qul nous e t 4 , e t
Q-Èa'
p e r m e t t r o n t d e t r a i t e r d e l ' i n v a r i a n c e d e l a f o n c t i o n d e G r e e n ( c h a p i t r e C ) . N o u s d o n n o n s c e s d i f f ê r e n c e s e n f o n c t i - o n d e s p a r a n è t r e so C
e t p . a e r i n i e s p a r :
s(. =
gïf
.
il5'a
E B . I . B ]s.8.2 SYMETRTE LOCALE ET GLOBALE
l i q u e à
+qLF{, ^^tn 2
é t a n t d e s e n t i e r s q u e l c o n g u e s , o n n e c r é e q u e l a m o i t i é d e s a t o m e s d e c e p l a n g r a p h i t i q u e ( a t o n e s d e c a r b o n e d e t y p e A n a r q u é s e n n o i r ) . A f i n d e c g g p l é t e r c e p l a n , i l f a u d r a u t i l i s e r I a t r a n s l a t i o n n o n p r i m i t i " . A = À Ë = Ë - ? e . € È c e c i d a n s I e b u t d . e c r é e r u n s e c o n d a t o m e d e c a r b o n e d e È y p e B ( a È o m e s m a r q u é s e n b l a n c ) ; c e t a t o m e B s e r a u t i l i s é c o m m e n o u v e l l e o r i g i n e q u i p a r a p p l i c a t i o n d e s t r a n s l a -t i o n s p r i m i -t i v e s d ^ 4 * ; W e , f i L ) e t , . r , l t a e s e n t i e r s q u e l c o n g u e s r e s t i t u e r a I a s e c o n d e m o i t i é d e s a t o m e s d u p l a n P l . .Nous voyons donc que pour créer intégralement un plan
g r a p h i t i g u € , n o u s a v o n s b e s o i n d e d e u x t y g " d ' a t o m e s d e c a r b o n e
A et B et d.es translations fondanentales E" et,Ç
L ' e n v i r o n n e m e n t d e c h a q u e a t o m e d e c a r b o n e q u ' i I s o i t d e
t y p e A o u d e t y p e B p o s s è d e c o m m e s y n é t , r i e l o c a l e c e l l e d ' u n p r i s m e
t r i g o n a l a y a n t p o u r b a s e u n È r i a n g l e é q u i l a t é r a } , I a s y m é t r i e d e c e t
environnement local étant décrite par le groupe poncÈuel Daçayant
p o u r é I é m e n t d e s y m é t r i e :
F=Ë
D a n s 1 e p l a n P 1 ( c f . f i g u r e E B . z l ) ' s i o n a p P I ' a t o m e d e c a r b o n e A , l e s t r a n s l a t i o n s p r i m i t i v e s r \ T aDs&=
{
E ) Lcs,3ce,q,,tÊrr3qt}
3 0
-TABLE E.B.
r I
DïFFERENCES
,a
+>
?-
Aà,
*r={
o13'
".1,i'
4 ,
,^/,4'
->od
4 , â ' =
+o à ,
'lr9,r3 "I 4cL
=,
,d: =-L
4
Y5' oc
,lLD L â = O
(ù-Èrr= À,
É= ft.
É=-a
€ 3 . dd; = -TF
-Tr
( î . * - Ti-oL TT -Ti-
V3''ot-= J L
3 . o c
= I
-2,F
- 2r7{o*
1dl'
L "'!'
È', - È^+
3 1 -L e p r o b l è n e q u i s e p o s e à p r é s e n t e s t c e l u i d e l a c r é a t i o n à p a r t i r d u p l a n P I , d e s a t o m e s d e c a r b o n e d e s a u t r e s p l a n s P 2 e t P 3 t o u s c o n s i d é r é s c o m m e p a r a l l è I e s à P l . -i> L a t r a n s l a t i o n p r i n i t i v " G - c o n s t r u i t J - e p l a n P 3 e t p l u s - > P g é n é r a l e m e n t l a t r a n s l a t i o n W S T E , / v ù g é t a n t u n e n t i e r q u e l c o n q u e f r e c o n s t i t u e r a t o u s l e s p l a n s d e m ê m e n a t u r e g u e P I e t P 3 . P a r c o n t r e p o u r I e p l a n P 2 , i I e s t n é c e s s a i t " g ' a p p l i q u e r a u x a È o m e s d e t y p e s A e t B I a t r a n s l a t i o n n o n p r i m i t i v e Z t e l l e q u e :
U = %i* * AruiZ +r/a.ïe
t 8 . 2 . 1 lc r é a n t a i n s i l e s a t o m e s d e c a r b o n e s d e t y p e s A l e t 8 1 d a n s P 2 .
A c e s n o u v e l l g s o r i g i n e s A I e t B I , 1 ' a p p l i c a t i o n d e s t r a n s l a
-tions primitives
"t^Z^+^tle
, rri)et ^!4."
"r,rt.r"
quelconques,
p e r m e t t r a d e r e t r o u v e r 1 a t o t a l i t é d u p l a n P 2 . E n c o n c l u s i o n , i } n o u s f a u t d o n c p o u r d é f i n i r I a s t r u c t u r e t r i d i m e n -s i o n n e l l e d u g r a p h i t e : i ) I e s q u a t r e a t o m e s d e c a r b o n n e d e t y p e : A T B T A I e t B I . - f
= + ' +
i i ) l e s t r o i s v e c t e u r s d e t r a n s l a t i o n s p r i n i t i v e s Q a , Ç 1 . È : 3 . C e c i n o u s c o n d u i t à i n t r o d u i r e d e s o p é r a t i o n s d e s y m é t r i e s u p p l é m e n -t a i r e s à c e l l e s d u g r o u p e \ * ; c e s o n t l e s o p é r a t i o n s d e s y m é t r i e s u i v a n t e s :{ran )
Crârrr âss t3szr.oÉ,J
L ' e n s e m b l e d e t o u t e s c e s o p é r a t i o n s d e s y n é t r i e c o n s t i t u e I a s y m é t r i e g l o b a l e p o n c t u e l l e d u g r a p h i t e ' s y n é t r i e d é c r i t e p a r l egroupe ponctuel Ogf,.
A v e c 1 ' a d j o n c t i o n d e s t y p e s d ' a È o m e s d o n n é s p l u s h a u t r o n
d é f i n i t
I e g r o u p e O t * a e l a s t r u c t u r e t r i d i m e n s i o n n e l l e
d u r é s e a u
3 2
-s.8.3 CLASSEMENT DES PROCHES V0ïSINS ("L')
A p a r t i r d ' u n a t o m e d e c a r b o n e p r i s conrme origine,
c o n s t r u i s o n s l e s s p h è r e s s u c c e s s i v e s d e rayon Di portant sur leur
s u r f a c e l e s d i f f é r e n t s a t o m e s v o i s i r r s d e m ê m e r a y o n .
P r e n o n s I ' o r i g i n e s u r I ' a t o m e A d . e l a c e l l u l e u n i t a i r e d . u c r i s t a l .
l ) L e s a t o m e s d u " t y p e A " entourant A seront atteints p a r d . e s
t r a n s l a t i o n s p r i m i t i v e s fl a.rres gue :
+,
.5
AA^= X^ = ^rl, +
".a,Zt
+ ^s è
E B . 3 . 1 lle point A^désignant un atome de "type A" entourang A. ,lrl , th4eL
rvl3 des entiers quelconques ; nous otenons :
fi.= (^^-î").^.à *
I ^r?r +
4s.Ê.E
EB.3.
zl
e t
l,r =*rû;r={t
(q^-.pl.id]"l * 4.æs
f
EB.3.3l
c e c i . d ' a p r è s l e s d é f i n i t i o n s d u S . 8 . 1 2 ) P o u r a t t e i n d r e l e s a t o m e s d e " t y p e B , , e n t o u r a n t l , a t o m e A , n o u sd e v o n s é c r i r e q u e
:à
->
+
'-r'"
ABa= f,-+ 6-n
i''
{= ç"'- ?)n'È *(5^ ôù +
"" ){
* ^. " ?ô
Ie point B désignant un atome de "type B,' entourant A, nous avons
donc ,
Dz
-- rat,r
=
t t,
*Lâ-?Ë
($.^"*fr|].*.
d,*1i
3 3 -P a r c e p r o c é d é , n o u s n ' a È t e i g n o n s p a s t o u s l e s a t o m e s v o i s i n s d e A , e n e f f e t : S i n o u s n o t o n s J F o l e p l a n g r a p h i t i q u e c o n t e n a n t I ' a t o m e o r i g i n e A e t s i n o u s n o t o n s T * 1 , ' 1 8 t , - l l + 7 . . . e t c l e s a u t r e s p l a n s d e p a r t e t d . ' a u t r e d . e fF o , n o t r e t r a i t e m e n t n ' a u r a a t t e i n t q u e l e s p l a n s ' - . - I f r * , T g , J t , T l g , T i ' A . . . . p a r c o n s é q u e n t l e s a t o m e s d . e s p l a n s . 7 f _ 3 , T l _ Â , \ , T Î 3 , . . . n e s e r o n t a t t e i n t s g u ' e n u t i l i s a n t l a p r o c é d u r e s u i v a n t e : 3 ) P o u r l e s a t o m e s
->
l r A Attr-d e " t y p e A l " e n t o u r a n t rS ">rt*+ T
I ' a b o m e A o n é c r i r a q u e : t B . 3 . 6 l E B . 3 . l I l I e p o i n È A $ r e p r é s e n È e u n a t o m e d e " t y p e A l " a t t e i n t e t e n t o u r a n t 1 ' a t o m e A , s o i t :->
{A^n--
(*"-
? **)'?,-,'(E \* rlul'{+(*s+â)"8
3'7r
ê t , + - - > (-Dr=
lAa,J=J
ft* -?*t)'*(g^"r U"flÈ
EB.3.BI
['
+ (^,
.+fÈ]ut,
4 ) P o u r l e s a t o n e s d e " t y p e B l " e n t o u r a n t I ' a t o m e A o n é c r i r a q u e :' à
?
- +
+
E B . 3 .
e l
ABrr'-= ë,-+Z + Z-d
R ? , . r e p r é s e n t e I ' a t o m e d e " t y p e B I " a t È e i n t , s o i t : - > 8 8 . 3 . 1 0 1AB'"=
("^-p+*).*e. hr$*E)*.{ * @al.*t)A,
e f
={[t"--r\ '-)
Jtr = lf ABr,rX
A v e c c e q u i p r é c è d e n o u s aurons atteint t o u s } e s t y p e s d , a t o m e s d.e c a r b o n e e n b o u r a n t l ' a t o m e A. N o u s r é s u m o n s c e s r é s u l t a t s d a n s l a f o r m u l a t i o n u n i f i é e s u i v a n È e :
D;={f ,=-â-ll*rf.
ilr.tlTd*1æez)L"l"'
3 rzr
l e s p a r a n è t r e s X r Y , e t z s o n t c e u x d . o n n é s d . a n s l _ a b a b r e fB.rrl. 1 1 e s t à n o t e r q u e l e s raisonnements que nous venons d.e tenir sont é g a l e m e n Ù v a l a b l e s p o u r les trois autres atomes d.e carbone de la c e r r u l e é 1 é m e n t a i r e d u c r i s b a r d u g r a p h i t e s t r u c t u r e typehexagronal.
Un programme en FORTRÀN nommé voisins DAT' a été écrit et
n o u s f o u r n i t l e n o n b r e d ' a t o m e s s u r res d.if f érentes sphères d.e
r a y o n s D i a i n s i q u e r e u r s distances respectives par rapport à un a t o m e d o n n é f i x é a u d é p a r t e t c e c i d . a n s I a t a b r e E B . r r r l .
3 4
-C e s r é s u l t a t s p e r m e t t r o n t d e c o n s t r u i r e 1 e
c r i s t a r l i n d u g r a p h i t e f r B 1 p a r 1 a m é t h o d e d . i t e o C
( m é t h o d e "{-Lô[,DIN") eb d.e traiter ] e s i n t é g r a l e s
r21,r+l
s.8.4 OPERATIoNS
DE SYI,IETRIE
p o t e n t i e l c i e L ô I r ù D I N f I 9 , 2 0 -de recouvrement Er
9[,
L e s r a i s o n n e m e n t s g u e nous venons de tenir au S.B.z nous
ammènent aux opérations de syméÈrie du réseau du graphite type
hexagonal que nous énumérons comme suit :
r 1 ' o p é r a t i o n i d e n t i t é
: I ' i n v e r s i o n
: un plan de syurétrie de normal
c y , c ' y , c " y r 3 axes d'ord.re 2 cont,enues dans le pran Ci'.h. ayant
p o u r normales respectives :
+
2â'
-Io
o
'a{=
(t '
i'î=lt)
d î!=(
3 5
-T A B L E E B . I I I ]
"Êi,lii de: 5FriEâES,:: tittlliH5 pt NL-lfiFF:E iie,;li!lltil-;
i i, ir:iilii+E+iiii i r . 1 1 1 ? i [ + i ] i ir . Z4!9,:i+'L I | . :SlËlE+'l i i!.llltiiE+iii iJ.;:,5lilirii1 * , :Tq47Etir I ,.1.415]48+iri i: , 4?-ql4E+(r I 11. 4:*trÇl!+ii 1 i i . 4 ? i 6 i t E t i ; 1 it. iiiiit.i{+t': i i; , -r i 1Ê7Ei,.r 1 i r . = 4 i t 1 E + i ) l ir .l,l?niE+1:)l ':i.:lc'l788+ii I r . ' r È i i + i È f 1 - , 1 i!,nig:i{:+i}1 i; . .i5iL jjE+:.r I i),,i:çitjE+i1 ii, .iç!.iit!+'-r 1 rr , ..Ë4t7i+'.J i l f . . ' l - 1 . : i ! ' l + ' - i i.;. 7i;?!'(Efli ! i r . : i l l c E + { j l it. li7?lE+i: i i!. 7.1l4iE+iii ir. 1174t'E+rl I i:}. j5û?lE+(:r1 ij.767.58E+iil i,73458E+ill il . -Cn 1 4E+{.r l 0, i9I45E+'J! iJ.Efi9"qEE+il1 i ; . F 7 î l 9 E + i l l il. Ë-r,iiôEE+ii1 t1.94îilE+i]1 {. gSl4rqE+i) I i. E5E I 4E+il Le ravrn Êst eriDrimÉ er FEF;!:rE 1 T i i n T A B L E T B . I I ] P a r a n è t r e s X , Y , Z e t d i s t a n c e s D i . ri ,t 1 1 La r a ' r a : i i: !A ! i '.' n l L\ ! - l Ê 1 1 I r 1 i 1 ' l 1 . . ! i,j' Ar,nct rnpm;