Microspectroscopie Raman des nanofils de GaAs

Micro-Raman spectroscopy of GaAs nanowires

• Auteur / Autrice : Peng Wang
• Direction : Bernard Jusserand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Chimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Phonons

Nanofils

Résumé

Cette thèse présente une étude de micro spectroscopie Raman d’un type nouveau de nanostructures : les nanofils de semiconducteurs. Elle porte sur des nanofils de GaAs, d’un diamètre compris entre 50 et 150 nm, fabriqués par épitaxie par jets moléculaires. Il s’agit de la première étude systématique des modes de vibration et des résonances électroniques associées dans les deux formes cristallines qui peuvent être obtenues suivant les conditions de croissance : la blende de zinc comme pour GaAs massif et la WZ qui n’existe pas à l’état massif. La spectroscopie est réalisée sur un nanofil unique grâce à un dispositif de micro-Raman original développé pendant la thèse. Après une caractérisation d’ensemble des vibrations optiques, le travail s’est concentré sur deux volets particuliers : 1) l’étude des polarisations Raman des raies observées. Il a été mis en évidence que la symétrie microscopique des matériaux a une influence faible sur les polarisations observées qui sont entièrement dominées par l’anisotropie de forme des nanofils. Un modèle de confinement diélectrique a été développé qui reproduit bien l’essentiel des observations expérimentales et prédit une influence très forte du diamètre des fils qui a fait l’objet de vérifications préliminaires. 2) l’étude des résonances Raman. Il a d’abord été observé que la micro spectroscopie Raman standard avec une illumination par un laser à Argon ionisé à des longueurs d’onde vers 500nm est très difficile et conduit généralement à la destruction des fils étudiés à cause de la forte absorption optique dans cette gamme de longueurs d’onde. Il a été démontré qu’au contraire l’utilisation de longueurs d’onde dans la gamme 700-900nm est très bien adaptée et permet une étude complète et non destructive des nanofils de GaAs. Une observation très originale a été réalisée, une résonance de Fröhlich du phonon LO qui traduit une transition excitonique très fortement décalée en énergie dans les fils de forme WZ par rapport aux fils de forme blende de zinc où les observations sont conformes à ce qui est connu pour GaAs massif. Cette observation originale est en bon accord avec les prédictions de calculs ab initio de la structure de bande électronique de GaAs WZ et permet de préciser l’ordre et la symétrie des états de conduction qui fait l’objet de débats entre plusieurs variantes des calculs ab initio publiés

This thesis presents a study by micro-Raman spectroscopy of a new type of nanostructures: semiconductor nanowires. It is focused onto GaAs nanowires with diameter between 50 and 150nm, fabricated by Molecular beam epitaxy (MBE). This is the first systematic study of vibrations and related electronic resonances in the two crystalline forms available for GaAs nanowires depending of the growth conditions: zinc-blende (ZB) as in bulk GaAs and wurtzite (WZ), a form not stable in bulk form. Raman spectroscopy is performed on single nanowires thanks to a dedicated micro-Raman set-up developed during this work. Based on an overall characterization of optical vibrations, this work has been mainly focused on two research lines. 1) the study of Raman polarizations of the recorded lines. It has been evidenced that the microscopic symmetry of nanowires has a limited influence onto the observed polarizations which appear to be mostly controlled by the shape anisotropy of nanowires. A model of dielectric confinement has been developed and well reproduces most of the experimental observations. It predicts a significant dependence onto the diameter which has been confirmed by preliminary experiments on wires with different diameters. 2) the study of Raman resonances. It has been first observed that Raman micro spectroscopy in standard conditions, based on an Argon ion laser with wavelengths around 500nm, is very difficult and generally leads to the destruction of the wires because of strong light absorption of GaAs nanowires in this range of wavelengths. It has been demonstrated that on the contrary the use of wavelengths in the range 700-900nm is very well adapted and allows a full detailed, non destructive study of vibrations in GaAs nanowires. A novel original observation has been obtained in this energy range, the Fröhlich resonance of the LO phonon reflecting an excitonic transition in WZ nanowires shifted by around 100meV from the well established resonance in ZB GaAs. This novel observation well agrees with recent ab initio calculations of WZ GaAs electronic band structure and allows to establish the ordering and the symmetry of the lowest energy conduction states which remains controversial among different versions of published ab initio calculations