Pompage optique dans les couches minces de silicium

Optical pumping in Silicon thin films

• Auteur / Autrice : Igor Favorskiy
• Direction : Jacques Peretti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Spin

Photoémission

Pompage optique

Mots clés libres

Structure de bandes

Résumé

Grâce à un long temps de vie de spin, le silicium est un matériau prometteur pour l'électronique de spin. Mais les approches classiques d'étude de la dynamique de spin basées sur la luminescence polarisée ne peuvent pas être utilisées dans ce matériau à cause du faible couplage spin-orbite et du gap indirect. Dans ce travail, nous avons étudié la polarisation de spin des électrons de conduction créée en condition de pompage optique par spectroscopie de photoémission. La surface du silicium est activée en affinité négative par dépôt de césium et d'oxygène de sorte que les électrons photoexcités avec une énergie proche du gap peuvent émis dans le vide. Nous utilisons un laser accordable qui permet de mesurer systématiquement le spectre de polarisation pour des énergies d'excitation allant du seuil d'absorption jusqu'à la bande Gamma2- au-dessus du gap direct. Nous avons obtenus les spectres de polarisation à partir de couches minces SOI d'épaisseurs différentes. A partir de ces résultats, nous déterminons la valeur de paramètres importants de la structure de bande comme le gap direct ou l'énergie du couplage spin-orbite. Cependant, contrairement aux prédictions, lorsque l'épaisseur de la couche de silicium diminue jusqu'à des valeurs inférieures à la longueur de diffusion de spin, la polarisation en spin des électrons émis reste proche de zéro (-0. 4%), remettant en cause l'interprétation directe des valeurs théoriques de la polarisation initiale égale à -20%. Une approche théorique a donc été développée sur la base d'un modèle ab initio de structure de bande pour déterminer les spectres de polarisation en spin. Ces calculs sont encore en cours, mais les résultats déjà obtenus sur la structure électronique du silicium sous contrainte indiquent une piste intéressante pour les études futures.

Silicon is a potentially promising material for spintronics due to its long spin relaxation time. At the same time, classical approaches to the study of the conduction electrons' polarization, such as luminescence, are ineffective for Silicon due to the weak spin-orbit interaction and indirect-bandgap structure. In the present work, the polarization of the conduction electrons is studied by means of spin-resolved low-energy electron photoemission spectroscopy. The Silicon surface is activated to negative electron affinity by Cesium and Oxygen adsorption so that electron emission can be achieved with photon excitation very close to the band gap (1. 12eV at 300K). We use a tunable laser which allows a systematic measurement of the polarization spectra from the absorption onset up to energies above the Gamma2- band. We measured spin polarization spectra on Silicon-on-insulator films of different thicknesses. Based on the obtained data, band structure parameters such as direct band gap and the spin-orbit splitting are evaluated. However, contrary to expectations, when diminishing the Silicon film thickness, even below the value of the spin diffusion length, the electron polarization remains close to zero (-0. 4%), much lower than the theoretically predicted values of the initial polarization (-20%), thus bringing into question their straightforward interpretation. A theoretical investigation was performed on the basis of an ab initio band structure model in order to calculate the full spin polarization spectra. These calculations are still on-going but predictions for strained Silicon confirm that this material should be an interesting candidate for further spin polarization studies.