PHS3210 - Spectroscopie - Polytechnique Montréal

Polytechnique Montr´ eal
D´epartement de G´enie Physique
PHS3210 - Spectroscopie
Protocoles de laboratoire
16 janvier 2015

Table des mati`eres
1 Spectroscopie d’´emission 3
1.1 Notionsth´eoriques ................................ 3
1.1.1 G´en´eralit´es sur la photoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Profilderaie ............................... 6
1.2 Questions pr´eparatoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Instrumentation et manipulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Instrumentation ............................. 11
1.3.2 Manipulations .............................. 13
1.4 ´ Emission d’un puits quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 Manipulations .............................. 17
1.4.2 Rapport.................................. 19
1.5 ´ Emission de points quantiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.1 Manipulations .............................. 20
1.5.2 Rapport.................................. 20
A Fiches techniques 23
A.1 Spectrom`etre ScienceTech 9055 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
A.2 Spectrom`etre Ocean Optics USB650 Red Tide . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
A.3 Lasers ....................................... 24
A.4 Cam´era CCD Apogee Alta U30-OE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
A.5 Filtres....................................... 26
A.5.1 Filtre passe-bande FL05532-1 de ThorLabs . . . . . . . . . . . . . . 26
1

TABLE DES MATI ` ERES
Protocoles de laboratoire
A.5.2 Densit´e optique ND10A de ThorLabs . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
A.5.3 Filtre passe-long Semrock RazorEdge 532 nm . . . . . . . . . . . . . 26
A.6 Optique Thorlabs (A et B) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
B D´etermination num´erique de z´eros 29
2PHS3210 - Spectroscopie

Chapitre 1
Spectroscopie d’´emission
1.1 Notions th´eoriques
Au cours de ce laboratoire, nous allons utiliser la spectroscopie d’´emission, plus parti-
culi`erement la photoluminescence (PL), pour caract´eriser deux types de structures quan-
tiques, des puits quantiques et des points quantiques, dans des semi-conducteurs. En com-
parant les ´energies d’´emission mesur´ees `a un mod`ele th´eorique, il sera possible d’extraire
les param`etres g´eom´etriques des diff´erentes structures quantiques.
1.1.1 G´en´eralit´es sur la photoluminescence
La photoluminescence d’un semi-conducteur peut ˆetre d´ecrite comme un processus `a
trois ´etapes tel qu’illustr´e `a la figure 1.1. D’abord, l’excitation de l’´echantillon par la lumi`ere
cr´ee des porteurs de charge (des ´electrons dans la bande de conduction et des trous dans
la bande de valence). Puis, en interagissant avec le r´eseau cristallin, ces porteurs vont se
thermaliser : les ´electrons vont migrer vers le minimum de la bande de conduction et les
trous vers le maximum de la bande de valence. Finalement, un ´electron de la bande de
conduction peut se recombiner avec un trou de la bande de valence et ´emettre un photon.
On parlera alors d’une transition bande `a bande.
Notons que les impuret´es pr´esentes dans les semi-conducteurs affectent significative-
ment leurs propri´et´es d’´emission et que la recombinaison bande `a bande n’est pas le seul
processus observable. Toutefois, dans ce laboratoire, nous allons limiter notre discussion
aux transitions bande `a bande.
3

CHAPITRE 1. SPECTROSCOPIE D’ ´ EMISSION
Protocoles de laboratoire
k
E (k)
bande de
conduction
bandes de
valence
hh
lh
so
hνhν
1. Excitation 3. Émission
2. Thermalisation
Figure 1.1 – Sch´ematisation des trois ´etapes de PL dans un semi-conducteur `a gap direct.
1. Excitation de l’´echantillon : l’absorption d’un photon g´en`ere un ´electron dans la bande
de conduction et un trou dans la bande de valence. 2. Thermalisation : les porteurs de
charge migrent vers les extrema de la structure de bandes. 3. Recombinaison des porteurs
et ´emission d’un photon. Les transitions optiques sont repr´esent´ees par les fl`eches verticales.
Les fl`eches pointill´ees repr´esentent la thermalisation des porteurs. La structure de bandes
comprend une bande de conduction et trois bandes de valence. Les bandes trous lourds
(hh) et trous l´egers (lh) sont d´eg´en´er´ees en k= 0, alors que l’interaction spin-orbite l`eve
la d´eg´en´erescence de la bande split-off (so).
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