Spectroscopie optique et propriétés de spin des boites quantiques uniques de GaAs/AIGaAs formées par épitaxie par gouttelettes, Optical spectroscopy and spin properties of single GaAs / AlGaAs quantum dots grown by droplet epitaxy

De
Publié par

Sous la direction de Xavier Marie
Thèse soutenue le 08 juillet 2010: INSA de Toulouse
Ce travail de thèse, essentiellement expérimental, porte sur l'étude par photoluminescence résolue spatialement, temporellement et en polarisation des propriétés de spin des boîtes quantiques uniques de GaAs/Al GaAs formées par épitaxie par gouttelettes. Les travaux présentés sont organisés autour de trois parties.Une première partie dédiée à l'étude expérimentale de la corrélation temporelle des photons émis par les boîtes quantiques incorporées dans une membrane bidimensionnelle de cristaux photoniques. Une dépendance en puissance de la probabilité de coïncidence lors de la corrélation croisée entre les transitions excitonique et biexcitonique de la même boîte est observée et modélisée en fonction du taux d'occupation de la boîte.Une deuxième partie porte sur les règles de sélection optique dans ces structures, pointde départ pour des expériences de pompage optique. L'observation de l'orientation de la polarisation des photons émis par les différentes transitions de la boîte quantique nous permet de mettre en évidence un couplage entre les états de trous lourds et de trous légers.Ce couplage est modélisé en fonction de la forme et de l'orientation de la boîte quantique par rapport aux axes cristallographiques.La dernière partie porte sur des expériences de polarisation du spin des noyaux de la boîte quantique par transfert de la polarisation du spin de l'électron. Ce transfert de polarisation, dû à l'interaction hyperfine entre électron et noyaux, dépend de différents paramètres temporels que nous pouvons ajuster avec notre modèle. Nous présentons également une mesure directe du temps de construction de cette polarisation nucléaire
-Spectroscopie optique
-Boîtes quantiques
-Epitaxie
-Photoluminescence
This thesis present experimental studies of spin properties in GaAs/AlGaAs quantumdots grown by droplet epitaxy by spatially and temporally resolved photoluminescence measurements. This studies are presented in three different parts. The first part is dedicated to the study of the temporal correlation of the photons emitted by a quantumdot embdedded in two-dimensional photonic crystal membrane. We observe the power dependanceof the coincidence probability by cross-correlation measurements between the biexcitonic and the excitonic transitions into a single quantum dot. Our findings are qualitatively understood with a statistic model. The second part focuses on optical selection rules in these structures, starting point for spin injection experiments. We evidence the mixing between heavy holes and light holes states by analysing the polarisation direction of the luminescence from a single quantum dot. We explain the states mixing by a model that takes into account the shape and the tilting of the quantum dot with respect to the crystallographic axes. The last part presents optical pumping experiments. We inject spinpolarised electrons and observe the creation of a dynamical nuclear polarisation. This polarisation transfert, due to hyperfine interaction, depends on caracteristic times that we can extract thanks to our model. We also present a direct measurement of the creation time of the nuclear spins polarisation
Source: http://www.theses.fr/2010ISAT0012/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par l'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE TOULOUSE
Discipline ou spécialité : Nanophysique


Présentée et soutenue par

Thomas BELHADJ

Le 8 juillet 2010

Spectroscopie optique et propriétés de spin des boîtes quantiques
uniques de GaAs/AlGaAs formées par épitaxie par gouttelettes.

JURY
Daniel PAGET Rapporteur
Kuntheak KHENG Rapporteur
Denis SCALBERT Examinateur
Arnaud ARBOUET Examinateur
Thierry AMAND Invité
Xavier MARIE Directeur de thèse
Bernhard URBASZEK Directeur de thèse


Ecole doctorale : Sciences de la Matière
Unité de recherche : Laboratoire de Physique et Chimie de Nano-Objets UMR 5215 AMAND
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.
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.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.3.1
.
transitions
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
63
.
la
.
transitions
.
.
43
.
3.2.2
.
Mon
64
tage
de
exp
p
érimen
dia-
tal
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
du
.
n
.
lourd
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.4.1
.
dèle
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.4.2
.
de
.
.
44
.
3.3
.
Résultats
.
exp
.
érime
.
n
4.4.3
taux
de
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3.5.2
.
onction
.
e
.
p
.
des
.
oto
.
s
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3.5.3
.
onction
.
e
.
p
45
des
3.3.1
oto
Sp
s
ectres
.
de
.
ph
.
oto
.
l
.
uminescence
52
.
Visibilité
.
e
.
coïncidence
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3.6
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
45
.
3.3.2
.
Mesures
.
de
.
coïncidence
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4
.
de
.
et
.
orien
.
:
.
des
.
de
.
de
.
ale
.
57
.
In
.
duction
.
m
.
a
.
g
.
des
46
de
3.4
a
Mo
e
délisation
ce
de
.
l'exp
.
érience
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
60
.
Etat
.
l'art
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.1.2
.
sur
.
b
48
formées
3.4.1
épitaxie
Mo
gouttelettes
dèle
.
utilisé
.
.
.
.
4.1.3
.
délisation
.
eets
.
és
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
61
.
Détails
.
érimen
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4
.
8
.
3.4.2
61
Résultats
Résultats
du
érime
mo
taux
d
.
è
.
l
.
e
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
63
.
Iden
.
des
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.3.2
.
de
48
structure
3.4.3
des
Comparaison
.
de
.
la
.
mo
.
délisation
.
a
.
v
.
ec
.
les
4.3.3
données
tensité
exp
photoluminescence
érimen
en
tales
olarisation
.
:
.
grammes
50
olaires
3.5
.
F
.
o
.
n
.
ction
.
de
.
corrélation
.
du
.
s
.
ec
.
ond
.
ordre
.
p
.
our
.
une
64
excitation
Théorie
impulsion
m
nelle
a
p
g
ério
trou
dique
-
.
léger
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
66
.
Cadre
.
mo
.
utilisé
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
66
.
Etats
.
trous
.
v
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5
.
1
.
3.5.1
.
Equations
.
de
.
p
66
o
Etats
p
électrons
ulation
conduction
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
vi
..
.
.
ABLE
al.)
DES
n
MA
.
TIÈRES
94
vii
.
4.4.4
Etat
Règles
eets
de
5.3.2.3
sélection
.
optique
.
.
.
.
.
.
d
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5.3.2.5
.
92
.
.
.
P
.
.
.
:
.
éri
.
.
.
.
.
quan
.
.
.
.
.
oîtes
.
85
71
.
4.4.5
q
Expressions
.
des
.
paramètres
.
.
.
.
.
.
de
.
.
.
.
.
f
.
la
.
.
.
.
.
.
.
diusion
.
.
.
.
.
Conclusion
.
cess
.
:
.
.
.
.
.
.
.
.
.
tation
.
dans
.
.
72
.
4.5
.
Comparaison
.
des
.
donn
arg
ée
.
s
.
exp
p
érimen
.
tales
.
a
5.3.2
v
spins
ec
.
le
ations
mo
.
dèle
.
.
dèle
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
89
.
.
.
.
.
.
.
le
73
.
4.6
Eets
Résultats
de
du
temps
mo
ucléaire
dèle
ations
.
.
.
.
.
à
.
.
.
.
.
é
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
aten
.
e
.
duction
.
aten
.
(Marvin
.
en
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5.3.1
.
des
.
p
.
b
.
de
.
.
75
.
4.7
.
Conclusion
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
85
.
c
.
des
.
tiques
.
.
.
.
.
.
.
Nature
.
résid
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
ompage
.
e
.
ucéaires
.
e
.
.
.
5.3.2.1
.
érimen
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5.3.2.2
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
76
des
5
.
In
.
t
.
e
.
raction
T
h
.
y
.
p
.
erne
.
dans
.
une
.
b
tre-réaction
oîte
électronique
quan
.
tique
.
unique
91
GaAs
bistabilité
79
n
5.1
puissance
Généralités
Mesure
.
construction
.
olarisation
.
.
.
5.3.3.1
.
érimen
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5.3.3.2
.
mesures
.
.
.
.
.
.
.
93
.
n
.
dynamique
.
sp
.
.
.
Conclusions
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
US
.
5134091
.
tum
.
and
.
its
.
ou
.
US
82
3013467
5.1.1
y
Enjeux
121
.
m
.
taux
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
85
.
Orien
.
optique
.
spins
.
es
.
orteurs
.
les
.
oîtes
.
tiques
.
GaAs
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
82
.
5.1.2
.
Etat
.
de
.
l'art
.
.
.
.
.
.
.
.
5.3.1.1
.
de
.
h
.
e
.
b
.
quan
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5.3.1.2
.
des
.
orteurs
.
e
.
ts
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
86
.
P
.
opti
82
u
5.1.3
des
In
n
térêt
et
d
d
e
bistabilité
l'étude
.
des
.
b
87
oîtes
Observ
quan
exp
tiques
tales
formées
.
par
.
épitaxie
.
par
.
gouttelettes
.
.
.
.
.
.
.
.
87
.
Mo
.
utilisé
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
87
.
Détermination
.
paramètres
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5.3.2.4
.
emps
.
corrélation
83
.
5.2
.
Détails
.
exp
.
érimen
.
taux
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
90
.
Con
.
sur
.
spin
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5.3.2.6
.
de
.
en
.
o
.
ction
.
la
.
d'excitation
.
5.3.3
.
du
.
de
.
de
.
p
.
n
.
.
.
.
.
92
84
Observ
5.2.1
exp
Ec
tales
han
.
til
.
lon
.
étudié
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
92
.
Comparaison
.
d'autres
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5.3.3.3
.
olarisation
.
ucl
.
aire
.
et
.
de
.
in
.
.
.
.
.
5.4
.
.
.
.
.
.
84
.
5.2.2
.
Mon
.
tage
.
exp
.
érimen
.
tal
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
96
.
97
.
P
.
t
.
(28/07/1992)
.
Quan
.
eectiv
.
device
.
pro
.
for
.
pro
.
(Chiky
.
et
.
113
.
P
.
t
.
(19/12/1961)
.
Microscop
84
apparatus
5.3
Minsky)
Résultats
T
expDES
TIÈRES
MA
T
viii
ABLE.
.
.
able
.
des
wiss.
gures
la
1.1
tête
Mo
i
des
tique
de
.
croissance
au
epitaxiale.
o
.
.
.
olarisation
.
.
.
.
.
haute-résolution
.
3.1
.
e
.
.
.
on
.
des
.
ZEMAX
.
et
.
latérale
.
2.6
.
a
.
.
.
.
.
calibration
.
ariable
.
.
.
.
.
erot
.
.
.
tage
.
.
9
confo
1.2
.
Images
.
de
héma
microsco
conf
p
27
ie
utili
à
v
force
F
atomique
du
de
microscop
nano-ob
de
jets
co
semiconducteurs
.
élab
mon
orés
co
par
omp
la
.
tec
.
hnique
.
d'épitaxie
.
par
2.7
g
c
ou
retard
ttelettes.
.
.
.
.
.
.
.
.
Sp
.
t
.
sur
.
InAs/GaAs
.
.
.
princip
.
e
.
22
.
de
.
microscop
10
al
1.3
.
Image
.
de
.
microscopie
.
à
2.2
eet
du
tunnel
de
de
cale
la
.
section
Sc
transv
osan
erse
p
(X-STM)
ulation
d'une
le
b
29
oîte
c
quan
d'étalemen
tique
oin
t
encerclée
ypique
confo
de
2.5
GaAs
résolution
formée
microscop
par
fo
épitaxie
.
par
.
g
héma
ou
de
tte
microscop
l
fo
ette
ec
.
en
.
.
.
.
.
.
11
.
1.4
.
Règles
.
de
.
sélection
.
optique
.
p
es
our
lame
une
staux
excitation
t
p
phase
olarisée
.
circulairemen
.
t.
.
.
.
.
.
15
.
1.5
.
Oscillations
.
de
33
Rabi
de
dans
n
une
F
b
R
oîte
oîte
quan
ique
tique
.
de
.
InAs/GaAs
.
.
héma
.
d'un
.
t
.
bury-Bro
.
.
.
2.1
.
héma
.
princip
17
du
1.6
e
Structure
c
ne
.
d
.
e
.
l'exciton
.
dans
.
une
.
b
.
oîte
.
quan
.
tique.
26
.
Sc
.
simplié
.
m
.
tage
.
microscopie
.
o
.
utilisé
.
LPCNO
.
.
.
2.3
.
héma
.
comp
.
ts
20
sés
1.7
our
Règles
sim
de
a
sél
ec
ec
logiciel
ti
.
o
2.4
n
on
optique
ti
et
n
sp
t
ectres
p
de
t
photoluminescence
énergie
de
du
l'exciton
e
neutre
cal
T
30
40
Mesure
et
la
d
spatiale
u
du
biexciton
e
.
n
.
cal
.
.
dans
.
une
.
b
31
oîte
Sc
quan
du
tique
tage
d
la
e
du
InAs.
e
.
n
.
cal
.
v
.
c
.
ensation
.
p
21
.
1.8
.
Règles
.
de
.
s
.
é
.
l
.
ec
.
ti
.
o
.
n
.
optique
.
et
.
sp
.
ectres
.
de
.
photoluminescence
.
de
32
l'exciton
Courb
neutre
de
et
d'une
de
à
l'exciton
ri
c
liquides
hargé
nduisan
p
un
o
de
s
v
itiv
.
emen
.
t
.
dans
.
une
.
b
.
oîte
.
quan
.
tique
.
de
.
InAs/GaAs
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2.8
.
ectres
.
photoluminescence
.
e
.
utilisan
.
le
.
abry-P
.
Burleigh
.
C-42
.
b
.
quan
.
un
.
de
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
36
.
Sc
.
de
.
e
.
mon
.
de
.
yp
.
Han
.
wn-T
.
.
.
ix
.
Sc
0 0X 2X.
.
tensités
T
du
ABLE
.
DES
.
FIGURES
75
3.2
.
(A)
4.2
Sp
escence
ectres
.
de
.
photoluminescence
.
d'une
.
b
.
oîte
sp
unique
.
de
en
GaAs
.
p
l'in
our
ex
dié-
états
ren
.
tes
c
puissances.
.
(B)
p
Mesures
.
de
76
(a)
mesuré.
l'auto
.
c
.
orrélation
ble
du
.
pic
.
excitonique,
m
(b)
.
la
.
corrélation
.
croisée
GaAs
des
.
pics
p
de
.
l'exciton
.
et
mélange
du
.
trion,
.
(c)
p
la
et
corrélation
.
croisée
.
des
.
pics
cristal
de
.
l'exciton
.
et
.
du
a
biexciton.
(b)
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Image
.
c
.
quan
.
.
.
.
.
.
.
.
.
du
.
e
.
linéaire
.
.
.
.
.
.
.
.
41
Sp
3.3
quan
Sc
endance
héma
.
des
Diagrammes
états
(A)
biexcitonique
t
2X
.
x
.
et
.
excitoni
65
q
v
u
lourds-trous
e
.
X
.
.
.
.
.
.
.
.
neutre
.
emen
.
.
.
.
.
.
.
.
.
gramme
.
en
.
axe
.
et
.
.
42
olaire
3.4
des
Conditions
.
de
in
visibilité
.
du
.
group
co
emen
o
t
ordre
p
de
our
.
les
.
photons
.
corrélés
.
biexcito-
.
nique
.
et
.
excitonique.
.
.
4.1
.
et
.
de
.
d'en
.
b
.
de
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
héma
.
tage
.
cro
.
cale
.
olarisa-
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.3
.
de
.
b
43
unique
3.5
(B)
(A)
puissance
Image
de
de
.
microscopie
64
à
olaires
force
p
atomique
c
de
tiv
b
(B)
o
neutre
î
.
te
.
s
.
quan
.
tiques
.
de
.
GaAs.
Répulsion
(B)
trous
Sp
due
ectre
u
de
.
ph
.
o
.
tolu
.
m
.
i
.
nescence
.
d'ensem
.
ble
.
de
.
b
4.6
oîtes
de
de
de
GaAs.
p
.
:
.
théoriques
.
.
.
.
.
.
.
.
44
.
3.6
.
Image
4.7
par
di
microscopie
olaire
électronique
.
à
de
bala
tre
y
principaux
age
tiel
de
direction
la
.
mem
.
brane
Diagramme
bidimension-
.
nelle
p
de
orts
cristaux
.
photoniques.
.
.
.
.
alle
.
.
.
.
.
.
.
.
.
de
.
rrél
.
ti
.
n
.
second
.
.
.
Histogramme
.
coïncidence
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
44
.
3.7
.
Sp
.
ectres
.
de
54
micro-photolumin
(A)
e
AFM
s
(B)
c
ectre
en
photoluminescen
ce
e
de
sem
b
de
oîte
oîtes
unique
tiques
de
GaAs
GaAs
.
p
.
our
.
dié-
.
ren
.
tes
.
puissances.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
62
.
Sc
.
simplié
.
mon
.
de
.
i
.
scopi
.
confo
.
résolue
.
p
.
tion
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4
.
6
.
3.8
.
Coïncidence
.
des
63
photons
(A)
excitonique
ectre
et
photolumin
biexcitoniques
d'une
p
oîte
our
tique
diéren
de
tes
et
puis-
dép
sances
en
.
de
.
tensité
.
photoluminescence
.
.
.
.
.
.
.
4.4
.
p
.
d'in
.
d'émission
.
our
.
l'exciton
.
hargé
.
osi-
.
emen
.
et
.
l'
.
citon
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.5
.
des
.
de
.
de
.
alence
.
au
.
tro
.
s
47
légers.
3.9
.
Probabilité
.
de
.
la
.
coïncidence
.
de
.
deux
.
photons
.
corrélés
.
p
.
our
.
diéren
.
ts
.
nom-
.
bree
.
mo
.
y
.
en
.
d'excitons
.
.
70
.
Diagrammes
.
olaires
.
l'exciton
.
et
.
l'exciton
.
hargé
.
ositiv
.
t
.
mesures
.
calculs
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
74
.
Inclinaison
.
du
.
a
.
p
.
de
49
.
3.10
.
(a)
fonction
In
l'angle
tensité
en
relativ
les
e
s
du
du
group
oten
emen
latéral
t
la
et
du
(b)
.
probabili
.

.
s
.
de
4.8
tran
p
sition
de
biex-
.
citonique
.
et
our
excitonique
rapp
en
.
fonction
.
dun
de
nom
.
bre
à
mo
.
y
à
en
terv
d'excitons
régulier
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
50
.
3.11
.
(a)
.
F
onction
calculée.
0 0
L () ’
L () L =L 0:5 0:9y x

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