Etude ab-initio des propriétés électroniques des bicouches de graphene

Abstract

Le graphene est un matériau constitué d’un plan unique d’atome de carbone organisé dans un réseau hexagonal nid d’abeilles. Cette épaisseur égale au diamètre d’un atome de carbone confère à matériau des propriétés uniques, ce qui explique l’intérêt de notre recherche. Dans ce travail nous avons calculé les propriétés structurales et électroniques du graphite mais aussi celles du graphene et de ses bicouches. La méthode adoptée pour effectuer nos calculs est une approche ab-initio basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) combinée avec celle des pseudos potentiels, comme implémentée dans le code Quantum Espresso. Pour traiter l’interaction de van der Waals, nous avons utilisé la correction semi empirique Grimme appelée DFT-D3. Notre travail et divisée en deux partie. Au départ nous avons cherché les paramètres de simulation tels que le rayon de coupure et le maillage des points K. Par la suite, nous avons réalisé un fichier d’entrée pour la relaxation de la structure et le calcul calculé les propriétés structurales et électroniques. Les résultats obtenus par les structures montrant que les bicouches ont conservé la symétrie hexagonale des monocouches. Nous avons remarqué que nos résultats sont en accord avec les résultats existant dans la littérature. Nous avons également trouvé que parmi les différentes configurations d’empilement possibles, la configuration AB est la plus stable et que l’empilement AA est une structure métastable. Les calculs de la densité partielle des états électroniques montrent que les bords de bandes de valence et de conduction sont contribués par les orbitales p de carbone. Nous avons trouvé que contrairement à la monocouche de graphene qui a un caractère semi-métallique, les bicouches de graphene montrent un caractère semi-conducteur à gap direct. La largueur du gap est de quelques meV et dépend fortement du type d’empilement. La possibilité d’ouvrir un gap dans le graphene par empilement vertical de deux feuillets de graphene ouvre des perspectives d’application inédites en électronique et en optoélectronique.