Gaz électronique bidimensionnel de haute mobilité dans des puits quantiques de CdTe : études en champ magnétique intense

High mobility two-dimensional electron gas in CdTe quantum wells : high magnetic field studies.

• Auteur / Autrice : Jan Kunc
• Direction : Marek Potemski, Roman Grill
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 14/02/2011
• Etablissement(s) : Grenoble en cotutelle avec Univerzita Karlova (Prague)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire national des champs magnétiques intenses (Grenoble ; Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Laure Barra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marek Potemski, Roman Grill, Petr Vasek
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Wojciech Knap, Ludvik Smrcka

Mots clés

Mots clés libres

Gaz électronique bidimensionnel

Effets Hall quantiques entier et fractionnaire

Interaction électron-électron

Spectroscopie optique

Transport électronique en champ magnétique intense et à basse températures

Two-dimensional electron gas

Integer and fractional quantum Hall effects

Electron-electron interaction

Optical spectroscopy

Electronic transport at high magnetic fields and low temperatures

Résumé

Une étude expérimentale de gaz d'électrons bidimensionnel confinés dans des puits quantiques de CdTe et de CdMnTe est présentée. L'analyse de données est soutenue par des calculs numériques de la structure de bande des états confinés, utilisant l'approximation de densité locale et de fonction enveloppe. Un calcul de type k.p a été utilisé pour justifier l'approximation parabolique appliquée pour les bandes valence. Les échantillons ont été caractérisés par spectroscopie Raman et par spectroscopie d'absorption de la résonance cyclotron infrarouge. Le magnéto-transport à bas champ est dominé par la contribution semi-classique de Drude et révèle trois contributions plus faibles, qui sont la localisation faible, l'interaction électron-électron et les oscillations Shubnikov-De Haas. La contribution des interactions électron-électron est expliquée dans un modèle semi-classique à trajectoire circulaire. La forme des niveaux de Landau, leurs élargissement, les temps de vie transport et quantique de la diffusion et le mécanisme (long-portée) de la diffusion dominant ont été déterminés. Le magnéto-transport sous champs magnétiques intenses révèle la présence d'états Hall quantique fractionnaires dans les niveaux de Landau N=0 et N=1. Nous avons montré, que les états 5/3 et 4/3 étaient complètement polarisés en spin, en accord avec l'approche des fermions composites pour l'effet Hall quantique fractionnaire. La forme de la photoluminescence à champ magnétique nul et son évolution avec la température sont décrites par un modèle analytique simple. La dépendance en champ magnétique et en température de la photoluminescence indique que le gap de spin est amplifié dans les niveaux de landau entièrement occupés. Ces effets multi-corps de l'amplification du gap du spin ont été décrits avec succès par un modèle numérique simple. L'intensité de la photoluminescence a mise en évidence l'importance des processus non-radiatifs pendant la recombinaison, la dégénérescence des niveaux de Landau, leur taux d'occupation, les règles de sélection et l'influence de l'écrantage. Le mécanisme de la relaxation parallèle de spin d'électron et de trou a été identifié et attribué au mécanisme Bir-Aharonov-Pikus, assistée par les phonons acoustiques. Les spectres de photoluminescence d'excitation reflètent la densité des états caractéristique des systèmes bidimensionnels. Les résonances excitoniques, qui sont observées aux bords des sous-bandes électriques inoccupées, illustrent l'importance de l'écrantage et des champs électriques intrinsèques dans les puits asymétriquement dopés.

Experimental studies of two-dimensional electron gases confined in CdTe and CdMnTe quantum wells are presented. The data analysis is supported by numerical calculations of the band structure of confined states, using the local density and envelope function approximations. Four by four, k.p calculations have been performed to justify the parabolic approximation of valence bands. Samples were characterized by Raman scattering spectroscopy and far infrared cyclotron resonance absorption measurements. Low-field magneto-transport shows the dominant contribution of the semi-classical Drude conductivity and ten times weaker contributions of weak localization, electron-electron interaction and Shubnikov-de Haas oscillations. The contribution of electron-electron interactions is explained within a semi-classical model of circling electrons. The shape of Landau levels, broadening, transport and quantum lifetimes and dominant long-range scattering mechanism have been determined. High-field magneto-transport displays fractional quantum Hall states at Landau levels N=0 and N=1. The ground states 5/3 and 4/3 have been determined to be fully spin polarized, in agreement with the approach of composite fermions for the fractional quantum Hall effect. The form of the photoluminescence at zero magnetic field and its evolution with temperature have been described by simple analytical model. Magnetic field and temperature dependence of the photoluminescence has been found to display the enhanced spin splitting of fully occupied Landau levels. This many body enhanced spin gap has been successfully described by a numerical model. The intensity of the photoluminescence demonstrated the importance of the non-radiative recombination channel, degeneracy of Landau levels, their occupation, selection rules and screening. The mechanism of the simultaneous electron and hole spin-flip was recognized and attributed to the longitudinal acoustical phonon assisted Bir-Aharonov-Pikus spin relaxation mechanism. Photoluminescence excitation spectra embody the characteristic density of states of two-dimensional systems. The excitonic resonances, which are observed at the edges of unoccupied electric subbands, illustrate the importance of screening and internal electric fields in asymmetrically doped quantum wells.