Electrons and phonons in semiconductor nanostructures
Electrons et phonons dans les nanostructures de semiconducteurs
Résumé
We review the different aspects of the coupling between electrons and phonons in bulk and nanostructures made of semiconductors. We focus in particular on the quantum confined polaron states in semiconductor quantum dots.
Ce mémoire de « Habilitation à Diriger des Recherches » est divisé en deux parties.
La partie I est composée de trois chapitres. Les deux premiers traitent des interactions entre porteurs et vibrations du réseau. Le troisième est consacré aux états électroniques non-liés des boîtes quantiques.
Le premier chapitre de la première partie (I-1) présente une description générale de l'interaction électron-phonon dans les semiconducteurs, du massif aux boîtes quantiques. L'étude des interactions entre porteurs et vibrations du réseau a grandement bénéficié des importantes avancées dans les domaines de l'élaboration de matériaux nanostructurés et des techniques d'analyse spectroscopiques. L'accès à la structure fine des transitions optiques (par exemple, par des techniques de sonde locale à haute résolution spectrale et/ou temporelle) a permis la mise en évidence de différents effets liés aux couplages électron-phonons. Ainsi, les ailes de phonons acoustiques d'une paire radiative confinée dans une boîte quantique ont été observées dans différents types de boîtes quantiques. De même, l'existence d'un fort couplage entre les porteurs confinés et les vibrations optiques est désormais bien établie. Finalement, les processus de diffusion des porteurs par les phonons, omniprésents en physique des semiconducteurs massifs, est encore aujourd'hui au centre de nombreuses études expérimentales et théoriques dans les nanostructures. Le chapitre 1 présente donc une revue de ces différents aspects du couplage entre porteurs et phonons : leur description et leurs conséquences optiques. Il faut noter que le matériel de ce chapitre ne correspond pas à une contribution personnelle de « recherche » dans le domaine, mais plutôt à un souci pédagogique de présentation, d'une manière unifiée, des différentes facettes de l'interaction électron-phonon dans les boîtes quantiques auto-organisées
Le deuxième chapitre de la première partie présente une discussion détaillée des états polarons (première partie du chapitre : I-2A) et de la relaxation en énergie (deuxième partie du chapitre : I-2B) dans les boîtes quantiques auto-organisées de semiconducteurs. Ces états correspondent aux véritables excitations élémentaires des boîtes quantiques auto-assemblées. En effet, la description d'ordre zéro en termes d'états découplés électrons-phonons devient inappropriée en présence d'un fort couplage entre les porteurs confinés et les vibrations du réseau. On n'a pas fini d'explorer toutes les conséquences de ce couplage fort, encore aujourd'hui au centre de nombreuses études théoriques et expérimentales. Parmi les champs actuels d'investigations dans ce domaine, il faut citer :
(i) l'étude de la dynamique (linéaire) de relaxation de l'énergie des états excités d'une boîte quantique, mettant en jeu des processus intrinsèquement liés aux états mixtes de polarons (comme la désintégration par couplage anharmonique ; voir deuxième partie du chapitre) ;
(ii) les mises en évidence de couplage polaron pour les transitions optiques des boîtes quantiques chargées avec un trou (domaine FIR) ou intrinsèques (en optique interbande) ;
(iii) les études récentes de la dynamique non-linéaire (sous excitation FIR intense) des transitions polarons des boîtes;
(iv) l'observation d'un effet polaron pour les boîtes doublement chargées.
Le chapitre trois de la première partie (I-3) est un article de revue sur les états non-liés des boîtes quantiques de semiconducteurs. La plupart des études sur les boîtes quantiques sont focalisées sur la partie basse énergie du spectre (états liés). Le spectre continu joue toutefois un rôle de premier plan dans beaucoup de situations : par exemple, ce sont les états finals pour les processus d'ionisation des boîtes dopées, ou les états initials pour les processus de capture (chargement des boîtes). Ces processus d'ionisation et (re)-capture se trouvent au sein même du fonctionnement de différents dispositifs, comme les détecteurs et lasers à base de boîtes quantiques. De même, ils jouent un rôle décisif dans les transitions optiques inter-bandes, à cause des transitions « croisées », c'est-à-dire, faisant intervenir des états liés d'une bande avec des états du continuum de l'autre. Pourtant, peu de travaux ont été consacrés à l'analyse de ces états. Une bonne partie du travail discuté dans ce chapitre est le résultat d'une longue étude, initiée au LPA il y a maintenant une petite dizaine d'années avec les premières études des mécanismes de capture assistée par les phonons et de relaxation Auger intra-boîte, poursuivie par le travail d'A. Vasanelli sur le fond spectral d'absorption inter-bandes, et consolidée par les récentes simulations numériques de N. D. Phuong et N. Regnault de la magnéto-absorption de différentes structures à boîtes quantiques pour la photo détection IR. Comme souligné à la fin de ce chapitre, les états non-liés jouent un rôle important dans bien d'autres situations physiques, comme pour les états « liés » excités à plusieurs particules. Ces voies de recherche, plus récentes, sont encore à leurs commencements.
La partie I est composée de trois chapitres. Les deux premiers traitent des interactions entre porteurs et vibrations du réseau. Le troisième est consacré aux états électroniques non-liés des boîtes quantiques.
Le premier chapitre de la première partie (I-1) présente une description générale de l'interaction électron-phonon dans les semiconducteurs, du massif aux boîtes quantiques. L'étude des interactions entre porteurs et vibrations du réseau a grandement bénéficié des importantes avancées dans les domaines de l'élaboration de matériaux nanostructurés et des techniques d'analyse spectroscopiques. L'accès à la structure fine des transitions optiques (par exemple, par des techniques de sonde locale à haute résolution spectrale et/ou temporelle) a permis la mise en évidence de différents effets liés aux couplages électron-phonons. Ainsi, les ailes de phonons acoustiques d'une paire radiative confinée dans une boîte quantique ont été observées dans différents types de boîtes quantiques. De même, l'existence d'un fort couplage entre les porteurs confinés et les vibrations optiques est désormais bien établie. Finalement, les processus de diffusion des porteurs par les phonons, omniprésents en physique des semiconducteurs massifs, est encore aujourd'hui au centre de nombreuses études expérimentales et théoriques dans les nanostructures. Le chapitre 1 présente donc une revue de ces différents aspects du couplage entre porteurs et phonons : leur description et leurs conséquences optiques. Il faut noter que le matériel de ce chapitre ne correspond pas à une contribution personnelle de « recherche » dans le domaine, mais plutôt à un souci pédagogique de présentation, d'une manière unifiée, des différentes facettes de l'interaction électron-phonon dans les boîtes quantiques auto-organisées
Le deuxième chapitre de la première partie présente une discussion détaillée des états polarons (première partie du chapitre : I-2A) et de la relaxation en énergie (deuxième partie du chapitre : I-2B) dans les boîtes quantiques auto-organisées de semiconducteurs. Ces états correspondent aux véritables excitations élémentaires des boîtes quantiques auto-assemblées. En effet, la description d'ordre zéro en termes d'états découplés électrons-phonons devient inappropriée en présence d'un fort couplage entre les porteurs confinés et les vibrations du réseau. On n'a pas fini d'explorer toutes les conséquences de ce couplage fort, encore aujourd'hui au centre de nombreuses études théoriques et expérimentales. Parmi les champs actuels d'investigations dans ce domaine, il faut citer :
(i) l'étude de la dynamique (linéaire) de relaxation de l'énergie des états excités d'une boîte quantique, mettant en jeu des processus intrinsèquement liés aux états mixtes de polarons (comme la désintégration par couplage anharmonique ; voir deuxième partie du chapitre) ;
(ii) les mises en évidence de couplage polaron pour les transitions optiques des boîtes quantiques chargées avec un trou (domaine FIR) ou intrinsèques (en optique interbande) ;
(iii) les études récentes de la dynamique non-linéaire (sous excitation FIR intense) des transitions polarons des boîtes;
(iv) l'observation d'un effet polaron pour les boîtes doublement chargées.
Le chapitre trois de la première partie (I-3) est un article de revue sur les états non-liés des boîtes quantiques de semiconducteurs. La plupart des études sur les boîtes quantiques sont focalisées sur la partie basse énergie du spectre (états liés). Le spectre continu joue toutefois un rôle de premier plan dans beaucoup de situations : par exemple, ce sont les états finals pour les processus d'ionisation des boîtes dopées, ou les états initials pour les processus de capture (chargement des boîtes). Ces processus d'ionisation et (re)-capture se trouvent au sein même du fonctionnement de différents dispositifs, comme les détecteurs et lasers à base de boîtes quantiques. De même, ils jouent un rôle décisif dans les transitions optiques inter-bandes, à cause des transitions « croisées », c'est-à-dire, faisant intervenir des états liés d'une bande avec des états du continuum de l'autre. Pourtant, peu de travaux ont été consacrés à l'analyse de ces états. Une bonne partie du travail discuté dans ce chapitre est le résultat d'une longue étude, initiée au LPA il y a maintenant une petite dizaine d'années avec les premières études des mécanismes de capture assistée par les phonons et de relaxation Auger intra-boîte, poursuivie par le travail d'A. Vasanelli sur le fond spectral d'absorption inter-bandes, et consolidée par les récentes simulations numériques de N. D. Phuong et N. Regnault de la magnéto-absorption de différentes structures à boîtes quantiques pour la photo détection IR. Comme souligné à la fin de ce chapitre, les états non-liés jouent un rôle important dans bien d'autres situations physiques, comme pour les états « liés » excités à plusieurs particules. Ces voies de recherche, plus récentes, sont encore à leurs commencements.
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