Spectroscopie d'excitation de la photoluminescence à basse température et resonance magnétique détectée optiquement de défauts paramagnétiques de spin S=l carbure de silicium ayant une photoluminescence dans le proche infrarouge

Low Temperature Photoluminescence Excitation Spectroscopy and Optically Detected Magnetic Resonance of Near-Infrared Photoluminescent Paramagnetic Defects with Spin S = 1 in Silicon Carbide

• Auteur / Autrice : Soroush Abbasi Zargaleh
• Direction : François Treussart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 18/10/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Jury : Président / Présidente : Cornelis Jacominus van der Beek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Treussart, Cornelis Jacominus van der Beek, Jean-Marie Bluet, Marie-France Barthe, Benoît Eble
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marie Bluet, Marie-France Barthe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Cristaux -- Défauts

Carbure de silicium

Mots clés libres

Carbure de silicium

Diamant

Centre NV

SiC

Divacancy (VV)

Silicon Carbide

Diamond

NV Center (NV)

SiC

Divacancy (VV)

Résumé

Les défauts ponctuels dans les matériaux à grande bande interdite font l’objet de nombreuses recherches, compte tenu des perspectives d’applications en technologie quantique. La réalisation de qubits et de capteurs quantiques a échelle nanomètres à l’aide du centre NV– a suscité la recherche de défauts ayant des propriétés magnéto-optiques similaires, mais dans un matériau technologiquement plus mûr tel que le carbure de silicium (SiC). Le SiC se présente sous différentes structures cristallographiques, notamment cubique (3C) et hexagonales (4H et 6H). Cette propriété permet d’obtenir une plus grande variété de défauts ponctuels profonds. Dans cette thèse, j'ai établi présence du défaut azote-lacune (NCVSi) de spin S=1 dans un échantillon de 4H-SiC irradié par des protons, en réalisant la spectroscopie d'excitation de la photoluminescence à la température cryogénique et en comparant les résultats à des calculs ab initio. J'ai également développé un dispositif qui m'a permis de détecter optiquement la résonance magnétique de spin S=1 (ODMR) de la bilacune (VCVSi) dans un échantillon de 3C-SiC et d'étudier son interaction hyperfine avec des spins nucléaires d’atome de carbone et de silicium voisins.

Point-like defects in wide-bandgap materials are attracting intensive research attention owing to prospective applications in quantum technologies. Inspired by the achievements obtained with the NV– center in diamond for which qubit and nanoscale quantum sensors have been demonstrated, the search for high spin color centers with similar magneto-optical properties in a more technological mature material such as silicon carbide (SiC) had a renewed interest. Indeed, SiC exhibits polymorphism, existing for instance with cubic (3C polytype) or hexagonal (4H and 6H polytypes) crystalline structures. Such property provides a degree of freedom for engineering a rich assortment of intrinsic and extrinsic atomic-like deep defects. In this thesis using photoluminescence excitation spectroscopy at cryogenic temperature and a comparison to ab initio calculations I have evidence the presence of nitrogen-vacancy spin S=1 (NCVSi) defect in proton irradiated 4H-SiC. I have also developed a setup that allowed me to detect optically the S=1 spin magnetic resonance (ODMR) of the divacancy (VCVSi) in 3C-SiC, and study its hyperfine interaction with nearby carbon and silicon nuclear spins.