Couches minces de Bi et nouveaux composants : les effets du couplage spin-orbit dans la structure électronique

Bi thin films and new compounds : spin-orbit coupling effects in the electronic structure

• Auteur / Autrice : Laurent Nicolaï
• Direction : Karol Hricovini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique - Cergy
• Date : Soutenance le 29/06/2017
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise en cotutelle avec Ludwig-Maximilians Universität (Munich, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Matériaux et des Surfaces (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 1993-....)
• Jury : Président / Présidente : Christine Richter
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karol Hricovini, Hubert Ebert, Jan Minar, Antonio Tejeda, Lukasz Plucinski
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jan Hugo Dil, Didier Sébilleau

Mots clés

Mots clés libres

Isolant topologique

Couche mince

Structure électronique

Bi

Spin-Orbit

Topological insulator

Thin films

Electronic structure

Bi

Spin-Orbit

Résumé

Dans cette thèse, nous explorons des matériaux basés sur le bismuth qui peuvent présenter des propriétés topologiques. Bi est un composant d’Isolants Topologiques identifiés qui consistent en un volume isolant tout en présentant aussi des états électroniques conducteurs en surface topologiquement protégés. En particulier, ces états de surface sont polarisés en spin et sont protégés par la symétrie du renversement du temps. L’attrait des Isolants Topologiques découle non seulement de leur intérêt évident du point de vue de la physique fondamentale, mais aussi du fait qu’ils puissent trouver une application en spintronics et dans les ordinateurs quantiques.Dans ces systèmes, le couplage spin-orbit joue un rôle central. Le couplage spin-orbit peut aussi mener à la levée de dégénérescences de Rashba ou de Dresselhaus, phénomènes découlant de la brisure en symétrie respectivement engendrée par la surface/interface d’un système ou de l’inhérente structure cristalline atomique.L’interprétation de mesures de structures de bandes dépendantes du spin, comme observées par spectroscopie par photoemission résolue en angle (et en spin), est appuyée et complémentée par des calculs ab-initio Korringa-Kohn-Rostoker de la structure électronique qui incluent tous les aspects des systèmes examinés : en particulier le couplage spin-orbit, fondamentalement compris grâce à une approche entièrement relativiste.Nous avons d’abord déposé des couches minces de Bi sur un substrat d’InAs(111). Un cristal de Bi de très bonne qualité est obtenu, confirmé par la reproduction par étude théorique des bandes électroniques mesurées. En parallèle de la croissance de la couche de Bi, nous observons que l’In et le Bi forment des cristaux d’InBi, exposant des états de surface topologiques. Nos analyses théoriques confirment que ces états de surface sont polarisés en spin.Dans la seconde partie de la thèse, Bi est utilisé comme un dopant dans InAs, donnant un alliage d’InAsBi. L’intense couplage spin-orbit apporté par le Bi génère simultanément des effets Rashba et Dresselhaus mesurables, levant par conséquence la dégénérescence des états de surface de manière complètement atypique, donnant des états non-hélicoïdaux polarisés en spin.

In this thesis, we explore bismuth based materials that may exhibit topological properties. Bi is a parent compound of known Topological Insulators which consist of an insulating bulk while also presenting topologically protected conducting electronic surface states. In particular, these surface states are spin polarised and are protected by time-reversal symmetry. The dual appeal of topological insulators stems not only from their obvious interest from a fundamental physics point of view, but also from the fact that they may find use in spintronics and quantum computing.In those systems the spin-orbit coupling plays a central role. Spin-orbit coupling can also lead to the Rashba or Dresselhaus splitting, phenomena arising from the symmetry breaking respectively engendered by the surface/interface of a system or from the inherent atomic crystal structure.The interpretation of measured spin dependent band structure, as observed in (Spin-) and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, was supported and completed by ab-initio Korringa-Kohn-Rostoker electronic structure calculations which account for all aspects of the investigated systems: in particular spin-orbit coupling, fundamentally included thanks to a fully relativistic approach.We first deposited Bi thin films onto a InAs(111) substrate. A crystal of Bi of very high quality was grown, confirmed by reproduction of the measured electronic bands by theoretical investigation. In parallel to Bi film growth, we observed that In and Bi form InBi crystals, exhibiting topological surface states. Our theoretical analyses confirm that these surface states are spin polarised.In the second part of the thesis, Bi was used as a dopant within InAs, forming an InAsBi alloy system. The strong spin-orbit coupling brought on by Bi generated simultaneously measurable Rashba and Dresselhaus effects, consequently splitting surface states in a completely atypical manner, giving non-helical spin polarised states.