Epitaxial growth and magnetic properties of self-assembled GeMn quantum dots

par Son Tung Pham

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux, Physique, Chimie et Nanosciences

Sous la direction de Vinh Le Thanh et de Lisa Michez.

Le président du jury était Carmelo Pirri.

Le jury était composé de Luc Favre.

Les rapporteurs étaient Vy Yam, Georges Brémond.

  • Titre traduit

    Synthèse par épitaxie et caractérisations des propriétés magnétiques des boîtes quantiques auto-assemblées de GeMn


  • Résumé

    Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons étudié la croissance de boîtes quantiques auto-assemblés de GeMn sur Si par épitaxie par jets moléculaires. La concentration de Mn varie de 2 à 8%. Nous avons montré que la température la plus basse est d'environ 400 °C.Nous avons ainsi étudié la croissance de GeMn à 410 et 430 °C. En combinant de nombreuses techniques de caractérisation pour étudier les propriétés des boîtes quantiques GeMn, telles que les propriétés structurales (TEM), la morphologie de surface (RHEED, AFM), les propriétés magnétiques (SQUID, XMCD) et la composition (EDX), nous avons montré qu'il est possible de contrôler les propriétés magnétiques des boîtes quantiques GeMn. En particulier, nous avons démontré qu'en maîtrisant les paramètres de croissance, il est possible d'obtenir une température de Curie jusqu'à 380K.La deuxième partie de ce travail de thèse porte sur la croissance de boîtes quantiques GeMn dans des structures multicouches. Nous avons démontré que les boîtes dans les couches supérieures peuvent croître au-dessus des boîtes enterrées, conduisant ainsi à un ordre vertical selon la direction de croissance. Nous avons également montré que la diminution de l'épaisseur critique de la couche de mouillage dans les couches supérieures est le paramètre clé, qui conduit à l'augmentation de la dimension des boîtes. Ce phénomène peut être expliqué par une accumulation de la contrainte élastique dans les couches de barrière de Si et ceci est induit par des couches inférieures. Ce résultat ouvre la voie à la réalisation d'une structure multicouche dans laquelle les boîtes quantiques puissent avoir la même taille dans toutes les couches.

    mots clés mots clés

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  • Résumé

    In the frame of this thesis work, we have investigated the growth of self-assembled GeMn quantum dots on Si substrates by means of Molecular Beam Epitaxy. The doping Mn concentration ranges from 2 up to 8%. We have found that the lowest temperature at which the formation of self-assembled quantum dots is still preserved is about 400 °C.We have thus performed the growth of GeMn quantum dots at 410 and 430 °C. By combining numerous characterization techniques to investigate the quantum-dot properties, including structural properties (TEM), surface morphology (RHEED, AFM), magnetic properties (SQUID, XMCD) and composition (EDX), we have determined the key parameters allowing to control the magnetic properties of GeMn quantum dots. Of particular interest, we have demonstrated that well-controlled GeMn quantum dots can exhibit a Curie temperature up to 380K.The second part of this thesis work deals with the growth of GeMn quantum dots in multilayered structures. Interestingly, we have observed that the dots in upper lays can grow on the top of the buried dots, leading to a vertical ordering of dots along the growth direction. We also shown that the decrease of the wetting layer thickness in the upper layers of a multilayered structure is the main parameter that leads to the increase of the dot size and height. Such an evolution of the wetting layer thickness can be explained by an accumulation of elastic strain in the Si spacer layers induced by the lower Ge wetting layers. This finding opens the route to the realization of a multilayer structure in which the islands have equal size in all layers.

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