Boite quantique dans un fil photonique

Caractérisation de boites
quantiques InAs/GaAs incluses
dans des fils photoniques.
Vers l’expérience de nonlinéarité géante
optique dans un atome unidimensionnel.
Olivier Legrand
2ème année de master de physique
Responsable : M. Jean-Philippe POIZAT
Avril-Août 2011
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Table des matières
1 Introduction 3
2 Les boites quantiques 4
2.1 Du cristal tridimensionnel à la boîte quantique . . . . . . . . . . . 4
2.2 Croissance et structure en énergie des boîtes quantiques . . . . . . 5
2.3 Excitations dans une boîte quantique - Les excitons . . . . . . . . . 6
3 Les fils photoniques 8
4 Non linéarité géante 10
4.1 Description ............................... 11
4.2 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2.1 Excitation optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2.2 Eléments de détection optique . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.3 Caractérisation des échantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.3.1 Description d’une expérience de microphotoluminescence . . 14
4.3.2 Résultats ............................ 15
5 Effets de surface 17
6 Conclusion 20
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1 Introduction
L’étude d’objets de taille submicrométrique constitue actuellement un sujet de
recherche majeur en physique de l’état solide. Cet intérêt vient d’une part de la
miniaturisation des composants de micro-électronique dont les dimensions nanomé-
triques justifient la prise en compte de la nature quantique de l’électron[1]. D’autre
part, le développement de techniques de gravure et d’épitaxie permettent depuis
une vingtaine d’années la conception d’objets de dimension effective inférieure à
trois - cas d’un matériau massif cristallin : on parle ainsi de puits quantiques pour
des structures bidimensionnelles, de fils quantiques lorsque la dimension est égale
à 1, et enfin de boites quantiques lorsque la dimension vaut 0 - structures dans les-
quelles les électrons ne possèdent plus aucun degré de liberté de translation. La fa-
brication de tels objets rend possible l’étude[2],[3] ou encore le contrôle cohérent[4]
de systèmes quantiques isolés. Ceci en retour, ouvre la voie à la conception de
nouveaux types de composants, et plus généralement au développement d’un -
encore hypothétique - ordinateur quantique, dont le principe de fonctionnement
reposerait sur la manipulation de tels objets quantiques. Ce sont ces aspects qui
ont motivé la recherche, tant théorique qu’expérimentale, des effets de la réduction
de dimension des objets sur les propriétés électroniques ou optiques, et ce depuis
une cinquantaine d’années maintenant[5],[6].
Dans ce contexte, l’un des principaux axes d’étude concerne l’interaction lumière-
matière. En effet, en suivant l’idée mentionnée ci-dessus, on pourrait envisager le
stockage de l’information dans les différents états d’une boîte quantique, et trans-
mettre cette information à l’aide de la polarisation droite ou gauche du photon.
Le stage que j’ai réalisé à l’Institut Néel avait ainsi pour objet d’étude le couplage
entre une boîte quantique incluse dans un guide d’onde nanométrique et le champ
électromagnétique. On s’attend en effet à observer dans ce système une non linéa-
rité optique se traduisant par une variation du coefficient de réflexion en fonction
de la puissance lumineuse envoyée sur l’échantillon.
Ce stage s’inscrivait dans le cadre de la mise en évidence expérimentale de cet
effet. Ainsi, je commencerai dans une première partie par décrire les objets ap-
pelés boîtes quantiques. La deuxième partie est consacrée aux fils photoniques.
Dans une troisième partie, je donne une description -théorique- de l’effet de non
linéarité géante, ainsi que du dispositif expérimental mis en place. L’étude d’un tel
effet suppose une phase préliminaire de caractérisation des échantillons, dévelop-
pée également dans la troisième partie. Cette étape de caractérisation a conduit
à l’observation d’un effet inattendu de décalage en énergie des boites quantiques
au cours du temps, effet dont l’étude est présentée dans la quatrième et dernière
partie de ce rapport.
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2 Les boites quantiques
2.1 Du cristal tridimensionnel à la boîte quantique
Dans un cristal parfait tridimensionnel la densité d’état est une fonction conti-
nue de l’énergie, et les électrons se répartissent dans des bandes d’énergie, séparées
par des zones appelées bandes interdites dans lesquelles l’équation de Schrödinger
n’admet pas de solution. La fonction d’onde électronique est décrite par une su-
perposition d’ondes de Bloch, et les valeurs que peut prendre le pseudo-moment
peuvent en très bonne approximation être considérées comme continues. Si on
confine les porteurs dans un volume suffisamment petit (typiquement de l’ordre de
la longueur d’onde de de Broglie du porteur) un effet de discrétisation des valeurs
du pseudo-moment (et ainsi de l’énergie) devient observable, et la description du
nanocristal doit alors être faite dans un cadre purement quantique - par opposition
au cadre semi-classique utilisé pour la description du cristal 3D. Les boîtes quan-
tiques sont ainsi des systèmes dans lesquels les porteurs sont confinés selon les trois
directions de l’espace. Ce confinement a pour effet de modifier la densité d’état :
en effet, sa dépendance en fonction de l’énergie varie progressivement lorsqu’on
passe d’un système 3D (fonction continue) à un système 0D (fonction discrète),
induisant de fait un changement important dans la dynamique des porteurs.
Figure 1 – Densité d’états en fonction de l’énergie E pour des systèmes de dimensions
variables. Pour d=0, la densité d’états est discrétisée (cas de la boite quantique).
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InAs GaAs
paramètre de maille (Å) 6.06 5.65
énergie du gap à 4K (eV) 0.42 1.53
Table 1 – Caractéristiques des deux semi-conducteurs InAs et GaAs
2.2 Croissance et structure en énergie des boîtes quantiques
Il existe plusieurs façons de réaliser des boites quantiques, bien qu’il s’agisse
à chaque fois de "remodeler" des couches 2D préexistantes. Parmi ces techniques,
on peut citer la méthode dite de Stranski-Krastanov, qui est celle utilisée pour la
croissance de nos boîtes quantiques. On pourra trouver une description détaillée
Figure 2 – Vue au microscope AFM d’un plan de boîtes quantiques d’InAs sur substrat
de GaAs.[7]
de cette technique dans les références [7] ou [9] par exemple. L’idée consiste à faire
croître une hétérostructure à partir de deux matériaux semi-conducteurs de lar-
geurs de bande interdite différentes et présentant une légère différence de paramètre
de maille (cf. Table 1 et Fig. 2).
Un point important est que ce procédé de croissance conduit à la formation
d’une couche d’InAs bidimensionnelle reposant en dessous des ilôts appelée couche
de mouillage, et se comportant comme un réservoir d’électrons répartis sur un
continuum de niveaux d’énergie. On obtient donc la structure en énergie décrite
Fig. 3.
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