Étude théorique des propriétés électroniques et optiques des super-réseaux de Si/SiO2

Abstract

FRANCAIS: L'observation d'une intense luminescence dans les super-réseaux de Si/SiO2 a ouvert de nouvelles avenues en recherche théorique des matériaux à base de silicium, pour des applications éventuelles en optoélectronique. Le silicium dans sa phase cristalline possède un gap indirect, le rendant ainsi moins intéressant vis-à-vis d'autres matériaux luminescents. Concevoir des matériaux luminescents à base de silicium ouvrira donc la voie sur de multiples applications. Ce travail fait état de trois contributions au domaine. Premièrement, différents modèles de super-réseaux de Si/SiO2 ont été conçus et étudiés à l'aide de calculs ab initio afin d'en évaluer les propriétés structurales, électroniques et optiques. Les deux premiers modèles dérivés des structures cristallines du silicium et du dioxyde de silicium ont permis de démontrer l'importance du rôle de l'interface Si/SiO2 sur les propriétés optiques. De nouveaux modèles structurellement relaxés ont alors été construits afin de mieux caractériser les interfaces et ainsi mieux évaluer la portée du confinement sur les propriétés optiques. Deuxièmement, un gap direct dans les modèles structurellement relaxés a été obtenu. Le calcul de l'absorption (par l'application de la règle d'or de Fermi) a permis de confirmer que les propriétés d'absorption (et d'émission) du silicium cristallin sont améliorées lorsque celui-ci est confiné par le SiO2. Un décalage vers le bleu avec accroissement du confinement a aussi été observé. Une étude détaillée du rôle des atomes sous-oxydés aux interfaces a de plus été menée. Ces atomes ont le double effet d'accroître légèrement le gap d'énergie et d'aplanir la structure électronique près du niveau de Fermi. Troisièmement, une application directe de la théorique des transitions de Slater, une approche issue de la théorie de la fonctionnelle de la densité pour des ensembles, a été déterminée pour le silicium cristallin puis comparée aux mesures d'absorption par rayons X. Une très bonne correspondance entre cette théorie et l'expérience est observée. Ces calculs ont été appliqués aux super-réseaux afin d'estimer et caractériser leurs propriétés électroniques dans la zone de confinement, dans les bandes de conduction.

ENGLISH: The observation of intense luminescence in Si/SiO2 superlattices has opened up new vistas in theoretical research, with a view to fabricate Si-based devices suitable for optoelectronic applications. Crystalline silicon has an indirect energy gap that makes this material less competitive compared to other luminescent materials. The fabrication of silicon-based luminescent materials would thus provide multiple applications in the future. Three achievements are presented in this work. (a) Several Si/SiO2 superlattice models have been constructed and studied within a first-principles framework in order to evaluate their structural, electronic and optical properties. The first two models are derived from crystalline phases of silicon and silicon dioxide. From these models, the interfaces are shown to play a significant role on their optical properties. New structurally-relaxed models have thus been constructed in order to satisfy more closely the interface topology and evaluate accurately the confinement effects on their optical properties. (b) Direct bandgaps are obtained in the structurally-relaxed models. Their absorption coefficient has been calculated (by applying the Fermi Golden rule) and compared to that of bulk Si, giving a clear demonstration of the enhanced absorption (and emission) properties of Si confined systems, compared to bulk Si. A blueshift with increased confinement has been confirmed. Furthermore, the precise role of suboxide Si atoms at the interfaces has been investigated. These suboxides are shown to have two main effects: (i) increase slightly the energy gap; (ii) reduce the dispersion in the band structure near the Fermi level. (c) A direct application of the Slater transition state theory applied to crystalline silicon has been performed and compared to X-Ray near-edge absorption spectroscopy measurements. The Slater transition state theory constitutes a subset of the density functional theory for ensembles. Very good agreement between this theory and the experiment is obtained. This type of calculations has been applied to the Si/SiO2 superlattices in order to estimate and characterize the electronic properties of the confined region in the conduction bands.