Transitions optiques interbandes et intrabandes dans les boîtes quantiques simples et couplées verticalement

Interband and intraband optical transitions in single and vertically stacked dots

• Auteur / Autrice : Angela Vasanelli
• Direction : Gerald Bastard, Roberto Cingolani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des solides
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions radiatives

Points quantiques

Stark, Effet

Résumé

Après avoir présenté les méthodes utilisées pour le calcul des états électroniques, nous discutons les états liés d'électron et de trou dans une boîte isolée. Nous calculons la force d'oscillateur et les règles de sélection pour les transitions intrabandes. Nous montrons qu'il faut distinguer entre les excitations polarisées dans le plan et celles polarisées verticalement ; notre calcul montre que dans une boîte isolée l'absorption est très anistrope. Dans le cadre des boîtes isolées nous développons également un modèle pour interpréter plusieurs expériences récentes de STM, qui prétendent à l'observation directe des fonctions d'onde d'électron et de trou. Nous étudions ensuite les systèmes de boîtes empilées. Nous discutons le couplage entre les boîtes en fonction de l'épaisseur de la barrière qui les sépare. Nous nous intéressons en particulier au régime de boîtes fortement couplées. Nous montrons que l'anisotropie typique des boîtes uniques diminue considérablement dans le cas des systèmes de boîtes fortement couplées. Ces derniers sont particulièrement intéressants si l'on regarde les effets du champ électrique. Nous montrons ainsi que les systèmes de boîtes fortement couplées sont aussi polarisables que les puits quantiques, avec une propriété en plus : le confinement dans le plan. La dernière partie de ce travail présente une discussion détaillée des états du continuum bidimensionnel (couche de mouillage) et tridimensionnel (barrière). Le rôle du continuum est particulièrement important dans le cas des transitions interbandes : nous montrons que les transitions croisées entre états liés et états du continuum sont à l'origine d'un fond continu entre la partie basse énergie du spectre (due aux transitions liées) et le seuil de la couche de mouillage. Cet effet, observé expérimentalement, montre de façon claire que le modèle ''atome artificiel'' est trop simple pour décrire de façon adéquate les propriétés des boîtes quantiques.

After an introduction on the methods used for electronic states calculation, we study electron and hole bound states in a single dot. We initially evaluate the oscillator strength and polarization selection rules for intraband transitions. We show that in a single dot the absorption is very anisotropic, depending on the polarization direction of the incident light. We also develop a model for interpreting some recent STM measurements, which are able to ''image'' single dot wavefunctions. Then we study vertically stacked quantum dot systems. We examine the coupling between the dots of a stack as a function of the barrier the thickness. Systems of strongly coupled dots are particularly interesting : we show that the optical anisotropy, typical of single dots, considerably diminishes in this kind of systems. Strongly couple dots are also interesting when electric field effects are studied. We show that they are as tunable as quantum wells, of the same dimensions, when an uniform electric field is applied in the growth direction. In addition to this enhanced Stark tunability, stacked dots present the advantage over quantum wells that no continuum absoprtion exists. The last part of this work is devoted to a detailed numerical study of continuum, wetting layer (2D) and barrier (3D), states. We show that the continuum states have an important role for interband transitions. We show in particular that crossed transitions, which involve bound and continuum states, lead to the appearance of a continuous background in the interband absorption spectrum in the energy range between the bound-to-bound transitions and the wetting layer absorption edge. The existence of this background, experimentally proved, shows that the ''artificial atom'' model is too simple to describe the features of quantum dot interban spectrum.