Roux, Frédéric (2008) Etude du pompage optique du silicium par photoluminescence polarisée et photo-émission à basse énergie résolue en spin. PhD thesis Physique des Solides, Ecole Polytechnique, EP/X p.218.
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Abstract
Les techniques de pompage optique sont habituellement bien adaptées à l’étude de la dynamique de spin des semi-conducteurs. Le silicium est un cas particulier, à cause d’un gap indirect et d’un faible couplage spin-orbite.
La stratégie mise en place dans nos travaux consiste à «réduire le temps de vie» des électrons de conduction, afin que leur polarisation initiale soit conservée.
Dans un premier temps, nous avons mené une étude de photoluminescence polarisée. La réduction du temps de vie s’opère essentiellement en faisant varier le taux de dopage en accepteurs. Nous avons mis en évidence une luminescence chaude fortement polarisée sur un échantillon très dopé. Cependant, aucun effet de dépolarisation en champ transverse n’a pu être observé.
Dans un deuxième temps, nous avons conduit une expérience de photo-émission résolue en spin et en énergie, pour une gamme d’énergie d’excitation variant de l’infrarouge à l’ultraviolet. L’échelle de temps pertinente est le temps d’échappement, beaucoup plus court que le temps de vie. Cela a nécessité la mise au point une procédure d’activation de photocathodes en silicium en affinité électronique négative. Une étude spectroscopique à 20 meV de résolution des distributions d’électrons photo-émis a été réalisée. L’analyse en spin de ces distributions montre une augmentation spectaculaire de la polarisation électronique lorsque l’énergie d’excitation se rapproche du gap direct. Des polarisations de l’ordre de 15% sont mesurées, proches des valeurs théoriques que nous calculons. Nous avons également observé un changement de signe de la polarisation très sensible à la température dans la partie thermalisée des distributions électroniques.
| Item Type: | PhD Thesis (PhD) |
|---|---|
| PhD Supervisor: | Peretti, Jacques |
| Date: | 17 October 2008 |
| Ecole Doctorale: | ED 447 ECOLE DOCTORALE DE L'ECOLE POLYTECHNIQUE |
| Discipline: | Physique des Solides |
| Collection (Fonds): | Ecole Polytechnique (EP/X) |
| Institution: | EP/X |
| Department: | Ecole Polytechnique |
| Subjects: | 3. Physics, Optics |
| Uncontrolled Keywords: | Spintronique, Pompage optique, Gap indirect, Spin-orbite, Structure de bandes, Polarisation, Phocathode, Affinité électronique négative, Polarimétrie de Mott, Temps de vie, Temps de relaxation de spin électronique |
| ID Code: | 4951 |
| Deposited By: | Frédéric Roux |
| Deposited On: | 27 March 2009 |
Table of content
INTRODUCTION 11
1 PROPRIETES PHYSIQUES IMPORTANTES DU SILICIUM 15
1.1 CRISTALLOGRAPHIE 15
1.1.1 Maille élémentaire dans l’espace réel 15
1.1.2 Maille élémentaire dans l’espace réciproque 16
1.2 PROPRIETES DES NOYAUX 17
1.3 STRUCTURE DE BANDES 17
1.3.1 Présentation 17
1.3.2 Structure de bandes et symétries en centre de zone 20
1.3.2.1 De la physique atomique au semi-conducteur 20
1.3.2.2 Propriétés de symétrie des fonctions d’onde à k=0 22
1.3.2.3 Fonctions d’onde du semi-conducteur à k=0 23
1.3.2.4 Introduction du couplage spin-orbite 24
1.3.2.5 Structure de bandes à k=0 avec couplage spin-orbite 25
1.3.3 Bandes de valence 29
1.3.3.1 Bandes de trous lourds et de trous légers 29
1.3.3.2 Bande split-off 30
1.3.4 Bandes de conduction 31
1.3.4.1 Bande de conduction 6- 31
1.3.4.2 Bande de conduction 8- 32
1.4 PRINCIPAUX GAPS 33
1.4.1 Le gap indirect « X » 33
1.4.2 Le gap indirect « L » 35
1.4.3 Le gap direct « » 36
1.5 MODES DE VIBRATION 36
1.6 ABSORPTION OPTIQUE 38
1.6.1 Transitions indirectes 39
1.6.2 Transitions directes 45
1.7 CONCLUSION 47
2 PRINCIPES DU POMPAGE OPTIQUE DANS LES SEMI-CONDUCTEURS 49
2.1 POLARISATION DE LA LUMIERE 51
2.2 POLARISATION ELECTRONIQUE 53
2.3 LIEN ENTRE POLARISATION ELECTRONIQUE ET POLARISATION DE LA LUMIERE 54
2.4 CALCUL DE LA POLARISATION INITIALE DANS LE CAS DU SILICIUM 55
2.4.1 Principe 55
2.4.2 Transitions à partir de 8+ 57
2.4.3 Transitions à partir de 7+ 60
2.4.4 Remarques importantes 61
2.5 POLARISATION ELECTRONIQUE EN REGIME PERMANENT 63
2.6 MECANISMES INTERNES DE RELAXATION DE SPIN 65
2.7 EVOLUTION DE LA POLARISATION EN CHAMP MAGNETIQUE EXTERIEUR 66
2.7.1 Polarisation dans un champ magnétique transverse : effet Hanle 66
2.7.2 Polarisation dans un champ magnétique longitudinal 68
3 PHOTOLUMINESCENCE EN CONDITIONS DE POMPAGE OPTIQUE 69
3.1 PRINCIPE 71
3.2 PARTIE EXPERIMENTALE 72
3.2.1 Excitation et polarisation 73
3.2.2 Echantillons étudiés 76
3.2.3 Détection et analyse de la polarisation 78
3.2.4 Principe d’une mesure de polarisation 83
3.2.5 Paramètres expérimentaux explorés 85
3.2.6 Lecture des spectres de luminescence 87
3.3 RESULTATS EXPERIMENTAUX 88
3.3.1 Etude en fonction de l’énergie d’excitation 88
3.3.2 Etude en fonction du dopage 92
3.3.3 Etude en fonction de la température 98
3.3.4 Etude sous champ transverse 100
3.3.5 Etude sous champ longitudinal 102
3.4 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 102
4 ETUDE PAR PHOTO-EMISSION RESOLUE EN ENERGIE ET EN SPIN 107
4.1 PROCESSUS DE PHOTO-EMISSION 108
4.1.1 Absorption optique 108
4.1.2 Transport : diffusion de spin à une dimension 109
4.1.2.1 Premier cas : faible coefficient d’absorption et épaisseur d faible devant L et LS 110
4.1.2.2 Deuxième cas : membrane de silicium massive, et fort coefficient d’absorption 111
4.1.3 Emission 112
4.1.3.1 Photo-émission à partir de la vallée X 113
4.1.3.2 Photo-émisssion à partir de la vallée L 113
4.1.3.3 Photo-émission à partir de la vallée 114
4.2 PARTIE EXPERIMENTALE 114
4.2.1 L’enceinte d’étude 114
4.2.2 Le porte-échantillon 117
4.2.3 Nettoyage et activation de photocathode en silicium 118
4.2.3.1 Affinité électronique négative 118
4.2.3.2 Nettoyage chimique de la surface du silicium 123
4.2.3.3 Nettoyage thermique sous UHV de la surface du silicium 124
4.2.3.4 Procédure d’activation de la surface de silicium 127
4.2.4 Membranes de silicium 131
4.2.5 Sources de lumière et optiques 132
4.2.6 Analyse à haute résolution en énergie : le spectromètre à électrons lents 133
4.2.6.1 Fonctionnement du sélecteur 134
4.2.6.2 Calibration en énergie 138
4.2.6.3 Focalisation dans le plan perpendiculaire à l’axe du sélecteur 139
4.2.6.4 Optique de décélération 140
4.2.6.5 Optique de sortie et de transport 140
4.2.7 Analyse résolue en spin : le détecteur de Mott 141
4.2.7.1 Principe de fonctionnement 141
4.2.7.2 Design et instrumentation 143
4.2.7.3 Calibration en spin 145
4.2.7.4 Mesure d’une asymétrie en pratique 149
4.3 RESULTATS 151
4.3.1 Cathode en affinité négative dans l’IR 152
4.3.2 Rendement quantique 154
4.3.3 Courbes de distribution en énergie à haute résolution 156
4.3.3.1 Calibration en énergie 156
4.3.3.2 Analyse spectroscopique 157
4.3.3.2.1 Régime basse énergie d’excitation : de 1.173 eV à 2.181 eV 163
4.3.3.2.2 Régime haute énergie d’excitation : 2.333 eV à 3.534 eV 166
4.3.4 PEDC 171
4.3.4.1 Etude en fonction du champ magnétique 172
4.3.4.2 Etude en fonction de l’énergie d’excitation et de la température 174
4.3.4.2.1 Polarisation au seuil haute énergie 177
4.3.4.2.2 Polarisation à basse énergie 181
4.4 CONCLUSIONS 185
5 CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES 189
6 ANNEXES 193
6.1 POLARISATION D’UNE LUMIERE QUELCONQUE 193
6.1.1 Base de décomposition en composantes circulaires 193
6.1.2 Décomposition d’une lumière quelconque dans la base (e+,e-) 195
6.1.3 Action d’une lame retardatrice 196
6.1.3.1 Cas général 196
6.1.3.2 Cas particulier 196
6.2 RESOLUTION DE L’EQUATION DE DIFFUSION DU SPIN 197
6.3 CALCUL DE L’ANGLE DE ROTATION DANS LA BOBINE 204
6.4 SCHEMA D’ENSEMBLE DE L’OPTIQUE ELECTRONIQUE 206
6.5 CORRESPONDANCES DES NOTATIONS DES SYMETRIES DE GROUPE 207
7 BIBLIOGRAPHIE 209
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