etude du pompage optique dans le silicium par … · 2014-10-05 · etude du pompage optique dans...

Etude du pompage optique dans le silicium par photoluminescence

et photo-émission polarisées

Frédéric Roux

Encadrement : J. Peretti : directeur de thèseG. LampelY. Lassailly

Laboratoire de Physique de la Matière CondenséeGroupe Electrons-Photons-Surfaces

2

Physique du spin dans les semi-conducteurs

1. création 2. dynamique 3. détection

Polarisation thermodynamique

Pompage optique

Injection électrique

ESR, RMN

Luminescence

Photo-émission polarisée

Détection électrique

Relaxation

Précession

Transport

Grandeurs importantes :

Taux de polarisation électronique : Pelec

Temps de relaxation de spin : T1

3

Physique du spin dans les semi-conducteurs

1. création 2. dynamique 3. détection

Polarisation thermodynamique

Pompage optique

Injection électrique

ESR, RMN

Luminescence

Photo-émission polarisée

Détection électrique

Relaxation

Précession

Transport

Grandeurs importantes :

Taux de polarisation électronique : Pelec

Temps de relaxation de spin : T1

4

Une brève histoire du spin dans le Si (1)19

50

1960

1970

1980

1990

2000

2010

ESR

1970 : Lépine1959 : Feher, Gere

1953 : Portis 2005 : Tyryshkin

Lépine : Phys. Rev. B, 2, 2429 (1970)

5

1968 : Lampel


50

1960

1970

1980

1990

2000

2010

1976 : Bagraev



2005 : Verhulst

naturelle

~kGauss

•Effet Overhausser non résonant :

•

• T1=60 ns

3

1

1 10.2T

T −=τ+

Lampel : Phys. Rev. Lett. 20, 491 (1968)

Spins

nucléaires 29Si

Spins

électroniques

Heff

I S

ESRNMR

6

1968 : Lampel


50

1960

1970

1980

1990

2000

2010

1976 : Bagraev



2005 : Verhulst

σ± Spins

nucléaires 29Si

Spins

Électroniques

Heff

I S

•polarisation nucléaire : due au pompage optique des électrons de conduction

•Pelec=0.001 % … Pi=0.4%

•Mesure indirecte, mais avantage :détermination de T1 et τ, même pour T1<<τ

Lampel : Phys. Rev. Lett. 20, 491 (1968)

ESRNMR

7

1968 : Lampel


50

1960

1970

1980

1990

2000

2010

1976 : Bagraev



2005 : Verhulst

1970 : Weisbuch

ESRNMRPhotoluminescence

8

1968 : Lampel


50

1960

1970

1980

1990

2000

2010

1985 : Meier

1976 : Bagraev



2005 : Verhulst

1970 : Weisbuch

Meier : Sol. State. Comm 55, 155 (1985)

ESRNMRPhotoluminescencePhoto-émission

9

1968 : Lampel


50

1960

1970

1980

1990

2000

2010

1985 : Meier

1976 : Bagraev

2007 : Jonker



2005 : Verhulst

1970 : Weisbuch

Jonker : Nature Phys. 3, 542 (2007)

-+

3 T5 °K

ESRNMRPhotoluminescencePhoto-émissionMesures électriques

Plum≈5%

10

1968 : Lampel


50

1960

1970

1980

1990

2000

2010

1985 : Meier

1976 : Bagraev

2007 : Jonker, Appelbaum



2005 : Verhulst

1970 : Weisbuch

Appelbaum : Phys. Rev. Lett. 99, 177209 (2007)

ESRNMRPhotoluminescencePhoto-émissionMesures électriques

11

1968 : Lampel


50

1960

1970

2010

1980

1990

2000

1985 : Meier

1976 : Bagraev

2007 : Jonker, Appelbaum



2005 : Verhulst

1970 : Weisbuch

2008 : RouxESRNMRPhotoluminescencePhoto-émissionMesures électriques

12

1968 : Lampel


50

1960

1970

1980

1990

2000

2010

1985 : Meier

1976 : Bagraev

1970 : Weisbuch

2008 : Roux

Peut-on injecter du spin

efficacement par pompage

optique dans le silicium ?

NMRPhotoluminescencePhoto-émission

13

Plan

1. Problématique

2. Approche

3. Photoluminescence polarisée

4. Photo-émission polarisée

5. Conclusions et perspectives

14

Principes de base du PO dans les SC

SOgg EhE Δ+≤ν≤

Lumière polarisée σ±

Transfert du moment angulaire des photons aux électrons grâce à l’interaction spin-orbite

1. Problématique

Eg

ΔSO

15





1. Problématique

Eg

ΔSO

16





• T1 : temps de relaxation de spin

• τ : temps de vie

• Pi : polarisation initiale, dépend de la symétrie du cristal

⇒ Orientation optique

τ+=

+

−=

↓↑

↓↑

1

1ielec T

TP

nnnn

P

1. Problématique

17

Pompage optique dans le Si (1)

-0.5 0.0 0.5 1.0

0

2

4

ener

gy (e

V)

reduced k [100][111]

Γ

X

L

1.12 eV

Difficultés :

SC à gap indirect : 1.12 eV

TO

1. Problématique

18


-0.5 0.0 0.5 1.0

0

2

4

ener

gy (e

V)


Γ

X

L

1.12 eV

-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10-0.10

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

Γ7+hh

lh

so

Γ8+

44 meV

Difficultés :


Couplage spin-orbite faible : 44 meV

TO

ener

gy [e

V]

1. Problématique

19


-0.5 0.0 0.5 1.0

0

2

4

ener

gy (e

V)


Γ

X

L

1.12 eV

-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10-0.10

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

Γ7+hh

lh

so

Γ8+

44 meV

-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10

3.26

3.28

3.30

3.32

3.34

Γ8-

Γ6-

30 meV

Difficultés :



TO

ener

gy [e

V]

ener

gy [e

V]

1. Problématique

20


-0.5 0.0 0.5 1.0

0

2

4

ener

gy (e

V)


Γ

X

L

1.12 eV

Difficultés :



Longueur d’absorption : 100 µm

Temps de vie τ : 1-100 µs

Temps de relaxation de spin T1 : 1-100 ns

TO

1. Problématique

21


23

1

1 10 à 10T

T −−≈τ+

Polarisation initiale fortement relaxée pendant le temps de vie

-0.5 0.0 0.5 1.0

0

2

4

ener

gy (e

V)


Γ

X

L

1.12 eV

Difficultés :



Longueur d’absorption : 100 µm

Temps de vie τ : 1-100 µs

Temps de relaxation de spin T1 : 1-100 ns

TO

1. Problématique

22

Plan

1. Problématique

2. Approche




2. Approche

23

Choix des conditions expérimentales : Pi

τ+=

1

1ielec T

TPP

σ+

Γ8+

Γ7+

Γ6-

Γ8-

1/6 -1/3

BC

BV

2. Approche

24


τ+=

1

1ielec T

TPP

σ+

Γ8+

Γ7+

Γ6-

Γ8-

1/6 -1/3

BC

BV

1/4

Pi=25 % : grandeur intrinsèque

2. Approche

25


τ+=

1

1ielec T

TPP

σ+

Γ8+

Γ7+

Γ6-

Γ8-

1/6 -1/3

BC

BV

1/4 -1/2


2. Approche

26

Choix des conditions expérimentales : T1

τ+=

1

1ielec T

TPP


Choix de la température

Fish

man

: Ph

ys. R

ev. B

, 16,

820

(197

7)A

ppel

baum

: P

hys.

Rev

. Let

t. 99

, 177

209

(200

7)

Silicon

GaAs p~1018cm-3

T1 : temps de relaxation de spin

τ : temps de vie peu influencé

A basse température :

2. Approche

27

Choix des conditions expérimentales : τ

τ+=

1

1ielec T

TPP

~NA-2

Tyag

i : S

ol. S

t. E

lec.

26,

577

(198

3)


Choix du dopage

Influence sur T1 ?

Sur type n :T1 diminue avec ND

Sur type p :Aucune donnée à ce jour.Hypothèse : T1~NA

-1 à basse T

300 °K

T1 : temps relaxation de spin ~NA-1

τ : temps de vie ~NA-2

~NA-2A fort dopage :

2. Approche

28

Conditions expérimentales

iech1

1ielec P

TTPP ≈

τ+=

A1 NT

∝τ

favorable

pour le pompage optique

pour la photo-émission en Affinité Electronique Négative

Fort dopage+basse température :

τ+=

1

12ilum T

TPP

Photoluminescence : Photo-émission :

2. Approche

29

Plan

1. Problématique

2. Approche




30

Photoluminescence polarisée

Champ de 3 kG⇔20 ps

3. Photoluminescence

Pi2 = 6.25 % Plum ≈ 0.1 %

T1 ≈ 10 ns et τ ≈ 500 ns

31

Photoluminescence

77 °K

TO : 57 meV

TA : 18 meV

OΓ : 64 meV

2. Approche3. Photoluminescence

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

1.0

0.8

0.6

0.08

0.04

0.00

-0.05 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25

Eg,X+TO+ΔEg,X+TO

coun

ts (H

z)

Eg,X

TO

57 meV

OΓ

1.24

0 eV

18 meVTA

64 meV

1 meV

Γ7+

energy (eV)

redu

ced

k

X

Γ8+

NA≈1015 cm-3

32

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

1.0

0.8

0.6

0.08

0.04

0.00

-0.05 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25

Eg,X+TO+ΔEg,X+TO

coun

ts (H

z)

Eg,X

TO

57 meV

OΓ

1.24

0 eV

18 meVTA

64 meV

1 meV

Γ7+

energy (eV)

redu

ced

k

X

Γ8+

Photoluminescence

77 °K

TO : 57 meV

TA : 18 meV

OΓ : 64 meV

Absorption indirecte1

1


NA≈1015 cm-3

33

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

1.0

0.8

0.6

0.08

0.04

0.00

-0.05 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25

Eg,X+TO+ΔEg,X+TO

coun

ts (H

z)

Eg,X

TO

57 meV

OΓ

1.24

0 eV

18 meVTA

64 meV

1 meV

Γ7+

energy (eV)

redu

ced

k

X

Γ8+

Photoluminescence

77 °K

TO : 57 meV

TA : 18 meV

OΓ : 64 meV

Thermalisation2

2



1

NA≈1015 cm-3

34

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

1.0

0.8

0.6

0.08

0.04

0.00

-0.05 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25

Eg,X+TO+ΔEg,X+TO

coun

ts (H

z)

Eg,X

TO

57 meV

OΓ

1.24

0 eV

18 meVTA

64 meV

1 meV

Γ7+

energy (eV)

redu

ced

k

X

Γ8+

Photoluminescence

77 °K

TO : 57 meV

TA : 18 meV

OΓ : 64 meV

Recombinaison3

3



1

Thermalisation2

2

NA≈1015 cm-3

35

77 °K, hν=1.240 eVgap gap+TO gap+TO+Δ

0

200

400

600

800

1000

coun

ts (H

z)

A76NA=5.1018 cm-3

τ=500 ns

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

coun

ts (H

z)

A107NA=1.1018 cm-3

τ=5 μs

0

5000

10000

15000

20000

25000

coun

ts (H

z)

A70NA=2.1016 cm-3

τ=50 μs

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.400

20000400006000080000

100000120000140000160000

coun

ts (H

z)

energy (eV)

A63NA=2.1015 cm-3

τ=100 μs


36


0

200

400

600

800

1000

coun

ts (H

z)

A76NA=5.1018 cm-3

τ=500 ns

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

coun

ts (H

z)

A107NA=1.1018 cm-3

τ=5 μs

0

5000

10000

15000

20000

25000

coun

ts (H

z)

A70NA=2.1016 cm-3

τ=50 μs

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.400

20000400006000080000

100000120000140000160000

coun

ts (H

z)

energy (eV)

A63NA=2.1015 cm-3

τ=100 μs

TO

TO

TO

TO

OΓ

OΓ

OΓ

OΓ

TA

TA


37


0

200

400

600

800

1000

coun

ts (H

z)

A76NA=5.1018 cm-3

τ=500 ns

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

coun

ts (H

z)

A107NA=1.1018 cm-3

τ=5 μs

0

5000

10000

15000

20000

25000

coun

ts (H

z)

A70NA=2.1016 cm-3

τ=50 μs

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.400

20000400006000080000

100000120000140000160000

coun

ts (H

z)

energy (eV)

A63NA=2.1015 cm-3

τ=100 μs

Tyag

i : S

ol. S

t. E

lec.

26,

577

(198

3)300 °K

TO

TO

TO

TO

OΓ

OΓ

OΓ

OΓ

TA

TA


1015 1016 1017 1018 1019

102

103

104

Inte

nsity

[a.u

]

NA [cm-3]

A63

A70 A107

A76

38

0

200

400

coun

ts (H

z)

A76NA=5.1018 cm-3

τ=500 ns

0

2000

4000

6000

coun

ts (H

z)

A107NA=1.1018 cm-3

τ=5 μs

0

5000

10000

15000

coun

ts (H

z)

A70NA=2.1016 cm-3

τ=50 μs

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.400

20000

40000

60000

80000

coun

ts (H

z)

energy (eV)

A63NA=2.1015 cm-3

τ=100 μs

77 °K, hν=1.240 eV, σ+gap gap+TO gap+TO+Δ

TO

TO

TO

TO

OΓ

OΓ

OΓ

OΓ

TA

TA


−+

−+

+−

=IIIIPlum

39

0

200

400

coun

ts (H

z)

A76NA=5.1018 cm-3

τ=500 ns

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

pola

rizat

ion

0

2000

4000

6000

coun

ts (H

z)

A107NA=1.1018 cm-3

τ=5 μs

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

pola

rizat

ion

0

5000

10000

15000

coun

ts (H

z)

A70NA=2.1016 cm-3

τ=50 μs

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

pola

rizat

ion

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.400

20000

40000

60000

80000

coun

ts (H

z)

energy (eV)

A63NA=2.1015 cm-3

τ=100 μs

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40-0.1

0.0

0.1

pola

rizat

ion

energy (eV)

77 °K, hν=1.240 eV, σ+gap gap+TO gap+TO+Δ gap gap+TO gap+TO+Δ

TO

TO

TO

TO

TO

TO

TO

TO

OΓ

OΓ

OΓ

OΓ

OΓ

OΓ

OΓ

OΓ

TA

TA

TA

TA

A

A

AA

B

B


40

77 °K, NA=5.1018 cm-3 (τ=500 ns), σ+gap gap+TO gap+TO+Δ gap gap+TO gap+TO+Δ

0

100

200

3001.234 eV

coun

ts (H

Hz)

δE=1 meV

-1

0

1

pola

rizat

ion

0

100

200

300

4001.240 eV

cou

nts

(Hz)

cou

nts

(Hz)

-1

0

1

pola

rizat

ion

0

100

200

300

4001.259 eV

-1

0

1

pola

rizat

ion

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.400

100

200

300

400 1.319 eV

cou

nts

(Hz)

energy (eV) 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40-1

0

1

pola

rizat

ion

energy (eV)

TO

TO

TO

TO

TO

TO

TO

TO

OΓ

OΓ

OΓ

OΓ

OΓ

OΓ

OΓ

OΓ

A

A

A

A

A

A

A

A

BB


41

Dépolarisation en champ transverse

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛τ

+γ

=Δ1

T11B1

Effet Hanle

( ) ( )2

lumlum

BB1

0BPBP⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Δ+

==

Champ magnétique transverse :

Dans notre étude sur Si :

aucun effet sur les structures polarisées

jusqu’à B=3 kG

Limite sur T1<20 ps ?!

Parsons : Phys. Rev. Lett. 23, 1152 (1969)


42

Conclusions sur la photoluminescence

T1/τ : on devrait mesurer quelque chose

•Etude de la photoluminescence polarisée résonante

•Pas de polarisation thermalisée quelles que soient les conditions expérimentales

•Luminescence chaude polarisée incompatible avec le PO : en valeur et en signe,

bien que l’effet du dopage se manifeste très fort sur le temps de vie

Absence de polarisation liée au PO :


43


0.0 0.1 0.2 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0-0.050.000.05

1.16

1.18

1.20

1.22

1.24

1.26T1/τ : on devrait mesurer quelque chose

On se trompe sur la polarisation initialePi des transitions indirectes ?


ene

rgy

[eV

]

reduced k

TO

hν=1.24 eV






44




La recombinaison n’est pas polarisée ?


Zwerdling : Phys. Rev. Lett. 4, 175 (1960)

Γ8+

Γ7+






45






Régime des fortes puissances ?






46






Temps de séjour

Absence de polarisation liée au PO : En photoémission :






47






Temps de séjour

Plus sensible à Pi :

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

τ+=

τ+=

ech1

1ielec

1

12ilum

TTPP

TTPP







48






Temps de séjour

Pas de recombinaison



⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

τ+=

τ+=

ech1

1ielec

1

12ilum

TTPP

TTPP






49






Temps de séjour

Pas de recombinaison


Pas besoin de forte puissance


⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

τ+=

τ+=

ech1

1ielec

1

12ilum

TTPP

TTPP






50

Plan

1. Problématique

2. Approche




51

Photo-émission polarisée résolue en spin

Analyse en énergie : sélecteur électrostatique

Analyse en spin : détecteur de Mott

RIGHTLEFT

RIGHTLEFTelec nn

nnP+−

∝

4. Photo-émission

LEFTRIGHT

52

Principe de la photo-émission en AEN

Grandeurs caractéristiques

100 µm près du gap indirect

100 Å près du gap direct

<< τ ≈ 500 ns

10 ns

Affinité Electronique Négative

Si (p) <100>

Zone de charge d’espace ≈ 100 Å

Courbure de bande ≈ 400 meV

χA : affinité

absorptiond'longueur :1−α

τe : temps d’échappement (dépend de Ek)

4. Photo-émission

Τ1 : temp de relaxation de spin

53

Cathode de Si en affinité négative

100 Å

Si Vacuum0.0 0.1 0.2 0.6 0.8 1.0

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

Fermi level

Cond. Band

ener

gy [e

V]

reduced k

TO

1.173 eV300 °KNA=5.1018 cm-3

4. Photo-émission

54


100 Å

Si Vacuum0.0 0.1 0.2 0.6 0.8 1.0

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08

Fermi level

Cond. Band

ener

gy [e

V]

reduced k

TO

1.173 eV300 °KNA=5.1018 cm-3

current [nA]

20 meV

4. Photo-émission

55


Vacuum level

100 Å

Si Vacuum0.0 0.1 0.2 0.6 0.8 1.0

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008

Fermi level

Cond. Band

ener

gy [e

V]

reduced k

TO

1.173 eV300 °KNA=5.1018 cm-3

x10

20 meV

current [nA]

χA

φSi

4. Photo-émission

56

Distributions en énergie

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

current [a.u]

120 °KNA=5.1018 cm-3

δE=20 meV

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5Eg,Γ

Eg,L

Eg,X

ener

gy a

bove

Eg,

X [eV

]

reduced k

1.563

4. Photo-émission

57

Distributions en énergie

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

current [a.u]

"L"

"X"

"Γ"

120 °KNA=5.1018 cm-3

δE=20 meV

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.534

3.331

2.7272.6222.5402.409

2.181

1.832

1.648

Eg,Γ

Eg,L

Eg,X

ener

gy a

bove

Eg,

X [eV

]

reduced k

1.563

4. Photo-émission

58

Photo-émission polarisée à 300 °K4. Photo-émission

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2ΓL

1.203 eVX

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1.915 eV

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

energy above Eg,X (eV)

2.540 eV

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

1

2

3ΓLX

cur

rent

[nA

]

3.281 eV

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0

curr

ent [

nA]

3.331 eV

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0


curr

ent [

nA]

3.534 eV

59

Photo-émission polarisée à 300 °K

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5-2

0

2

4

6

8

10

nor

m. P

olar

izat

ion

[%]

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5-2

0

2

4

6

8

10

nor

m. P

olar

izat

ion

[%]

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5-2

0

2

4

6

8

10

norm

. Pol

ariz

atio

n [%

]

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5-2

0

2

4

6

8

10

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5-2

0

2

4

6

8

10

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5-2

0

2

4

6

8

10

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2δE=40 meV

ΓL

1.203 eVX

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5δE=40 meV

1.915 eV

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4δE=40 meV


2.540 eV

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

1

2

3δE=80 meV

ΓLX

cur

rent

[nA

]

3.281 eV

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0δE=80 meV

curr

ent [

nA]

3.331 eV

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0δE=80 meV


curr

ent [

nA]

3.534 eV

4. Photo-émission

60

Polarisation en fonction de hν4. Photo-émission

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5-2

0

2

4

6

8

10

12

14

pola

rizat

ion

[%]

300 °K électrons balistiques

X L Γ

photon energy [eV]

61


1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5-2

0

2

4

6

8

10

12

14

pola

rizat

ion

[%]

300 °K électrons balistiques électrons chauds à 0.5 eV

X L Γ

photon energy [eV]

62


1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5-2

0

2

4

6

8

10

12

14

pola

rizat

ion

[%]

300 °K électrons balistiques électrons chauds à 0.5 eV électrons thermalisés

X L Γ

photon energy [eV]

63

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5-2

0

2

4

6

8

10

12

14

pola

rizat

ion

[%]


X L Γ

photon energy [eV]


%3T

TP1

1i ≈

τ+

Proche de Eg,X :

64

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5-2

0

2

4

6

8

10

12

14

pola

rizat

ion

[%]


X L Γ

photon energy [eV]


%3T

TP1

1i ≈

τ+

Proche de Eg,X :

Proche de Eg,Γ :

iech1

1i P

TTP ≈

τ+

65

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5-2

0

2

4

6

8

10

12

14

pola

rizat

ion

[%]


X L Γ

photon energy [eV]

Polarisation en fonction de hν

%3T

TP1

1i ≈

τ+

4. Photo-émission

Proche de Eg,X :

Proche de Eg,Γ :

iech1

1i P

TTP ≈

τ+

Régime intermédiaire :

τech et Pi changent

en fonction de hν ?…

66

-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3-0.2

-0.1

0.0

0.1

3.0

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

ener

gy [e

V]

reduced k

Influence de la température

Γ7+

σ+

Γ8+

Γ6-

Γ8-

1/6 -1/3

T=300 K-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5-2

0

2

4

6

8

10

12

14

norm

. Pol

ariz

atio

n [%

]

energy above Eg,X [eV]

hν=3.331 eV 120 °K 300 °K

4. Photo-émission

67

-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3-0.2

-0.1

0.0

0.1

3.0

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

ener

gy [e

V]

reduced k


T=120 K

Γ7+

σ+

Γ8+

Γ6-

Γ8-

1/6 -1/3

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5-2

0

2

4

6

8

10

12

14

norm

. Pol

ariz

atio

n [%

]


hν=3.331 eV 120 °K 300 °K

4. Photo-émission

68

Plan

1. Problématique

2. Approche




69

Conclusions et perspectives

Procédure de mise au point de photocathodes de Si <100> en AEN

Première étude de photo-émission résolue en énergie et en spin pour une

grande gamme d’énergie d’excitation entre Eg,X et Eg,Γ , à 77 °K et 300 °K

Pas de polarisation à basse énergie d’excitation

Très forte polarisation (15%) au gap direct, en accord avec le calcul

Première mesure directe résolue en spin du degré d’orientation optique

induit dans le Si par pompage optique

Changement de signe en fonction de l’énergie d’excitation et de la

température ?...

5. Conclusions

70

-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3-0.2

-0.1

0.0

0.1

3.03.13.23.33.43.53.63.73.83.94.04.14.24.34.44.5

ener

gy [e

V]


Γ7-


σ+

Γ8+

Γ7+

Γ6-

Γ8-

-1/2

+1/4

Pour la suite :

Explorer le régime UV, et UV lointain

5. Conclusions

71


Pour la suite :


Étude du régime IR-visible : à quoi est due l’absence de polarisation ?

raisons fondamentales : travaux théoriques à développer

5. Conclusions

72


Pour la suite :




raisons expérimentales : étude d’échantillons de faible épaisseur

SiO2

Si

Si-pt<LS

5. Conclusions

73

Conclusions et perspectives5. Conclusions

Pour la suite :




raisons expérimentales : étude d’échantillons de faible épaisseur

Pertinence de l’approche en photo-émission en AEN pour l’étude de la structure

de bandes et de la physique du spin dans le Si

74

Merci de votre attention

75

Influence de la puissance d’excitation

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

σ−=

σ−=

heefhh

heefee

nnvGdt

dn

nnvGdt

dn G : taux de génération de paire e-hve : vitesse des électronsvh : vitesse des trousne : densité d’électronsnh : densité de trousσfe : section efficace de capture e-h

ehefee n

1nv

1∝

σ=τ

Verhulst : Phys. Rev B 71, 235206 (2005)1.15 1.20 1.25 1.30 1.35

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 Eg,X+ETO+ΔEg,X+ETO

optic

al p

ower

(W)

energy (eV)

Eg,X

Δ

76

Phonons

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0-0.05

0.00

0.05

1.16

1.18

1.20

1.22

1.24

1.26

1.28

1.30

1.32

ener

gy (e

V)

reduced k

TOLO

TA

LA

XΓ0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

ener

gy (e

V)

reduced k (along X)

TA LA TO LO

77

1.563

78

1.832

79

2.181

80

2.409

81

2.540

82

2.622

83

2.727

84

3.331

85

3.340

86

3.534

87

3.534

direct

88

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-2

-1

0

1

2

3

4en

ergy

(eV

)

reduced k

H=Hop+Hél-ph

H2=Hop2+Hél-ph

2+HopHél-ph+Hél-phHop

90

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5-2

0

2

4

6

8

10

12

14

pola

rizat

ion

[%]

X L Γ

photon energy [eV]

α+=L1

L1

ech

DLT

TPP 2ech

1

1i

+=

91


-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5-2

0

2

4

6

8

10

12

143.331 eV

120 °K 300 °K 344 °K

energy above Eg,X [eV]-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

nor

m. P

olar

izat

ion

[%]


3.281 eV 120 °K 300 °K

etude du pompage optique dans le silicium par … · 2014-10-05 · etude du pompage optique dans...

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