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Wojciech Pacuski

Spectroscopie optique de semi-conducteurs magnétiques dilués à large bande interdite, à base de ZnO et GaN

Publié le 10 décembre 2007


Thèse soutenue le 10 décembre 2007 pour obtenir le grade de docteur de l'Université Joseph Fourier - Grenoble I et de docteur de l’Université de Varsovie - Spécialité : Physique

Résumé :
Ce travail porte sur la spectroscopie magnéto-optique de semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS) : ZnO et GaN dopés manganèse, fer et cobalt. Les deux semi-conducteurs hôtes, ZnO et GaN ont une grande bande interdite, une structure wurtzite, une faible interaction spin - orbite et une forte interaction d'échange excitonique entre trous et électrons. En présence de champs magnétiques, les ions magnétiques induisent un effet Zeeman géant dont l'interprétation est complexe : les excitons s'anti-croisent et leurs énergies de transition et leurs forces d'oscillateur sont fortement influencées par l'effet Zeeman géant. On a mesuré expérimentalement le splitting Zeeman géant des excitons A et B avec des couches épitaxiées sur saphir (0001) et une propagation de la lumière parallèle a l'axe c du cristal et au champ magnétique (configuration Faraday). Le splitting Zeeman géant diminue avec la température et augmente non linéairement avec le champ magnétique en accord avec l'aimantation calculée des spins isolés. Une analyse quantitative nous a permis d'analyser les propriétés magnétiques et de mesurer les intégrales d'échange pour l'ensemble des matériaux étudiés. Pour des ions avec une configuration d5 (Mn2+ et Fe3+), l'aimantation suit une fonction de Brillouin B5/2, mais pour les configurations d7 et d4 (Co2+ ou Mn3+) l'interaction spin-orbite et le champ cristallin trigonal induisent une aimantation anisotrope, en accord avec l'analyse des transitions internes des ions mesurées en spectroscopie infrarouge. Pour Ga1-x,MnxN, et Ga1-x,FexN, nous avons trouvé un signe positive pour l'intégrale d'échange entre trous et spins localisés (ß). En supposant une symétrie de la bande de valence dans ZnO correspondant a une interaction spin-orbite positive Δ29, Γ7, Γ7), nous trouvons un signe négative de ß pour Zn1-xCoxO, et ß est de près de zéro pour Zn1-xMnxO. Toutefois, dans l'hypothèse avec spin-orbite Δ2 négative, nous trouvons un signe positif de B. Les signes et les valeurs des intégrales d'échange déterminées a partir de nos mesures magnéto-optiques ne peuvent pas être expliqués par des tendances matérielles et des modèles basés sur l'approximation de cristal virtuel. Ceci suggère que l'échange p-d en DMS a large bande interdite, soit dans le régime de couplage fort, et la nature de splitting Zeeman géant observé est différente qu'en semi-conducteurs magnétiques dilués classiques.

Jury :
Rapporteur : R. Stępniewski
Rapporteur : C. Testelin
Examinateur : W. Bardyszewski
Examinateur : D. Scalbert
Directeurs de thèse : J. Cibert, D. Ferrand et P. Kossacki

Mots clés :
cobalt, Semi-conducteur magnétique dilué, semi-conducteur à large bande interdite, électronique de spin, spectroscopie magnéto-optique, exciton, interaction échange, effet Zeeman géant, ZnO, GaN, manganèse, fer, cobalt

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