Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Spectroscopie d'excitation de photoluminescence“

AbstractThe kinetics of the decomposition of silicon suboxides (SiOx, x<2) to Sic + SiO2 was studied as a function of composition and post-deposition annealing. Amorphous hydrogenated SiOx films (0.8<x<1.4) were deposited by remote plasma enhanced chemical vapor deposition (RPECVD) and rapid thermal annealed (RTA) at temperatures of 500–1000°C. By monitoring the Si-O infra-red (IR) bond-stretch mode frequency, it was found that at temperatures below 850°C, or at a oxygen poor composition near SiO0.8, the decomposition reaction only proceeded to a metastable form of SiO1.6 + Si. Characterization by Raman and spectroscopie ellipsometry confirm similar trends. Cross sectional transmission electron microscopy (TEM) confirms that Si nanocrystals (Sine) are formed with anneals at 900°C (30 sec). As deposited suboxides show band edge photoluminescence at 1.6 eV which disappears upon annealing at 900°C, indicating a sharp suboxide free interface between Sinc and SiO2 matrix.

Les systèmes In(Ga)As/InAlAs sur InP et InGaAs/(Al)GaAs sur GaAs ont été étudiés par sectroscopie optiques d'excitation. Les thecniques mises en œuvre sont l'excitation de la photoluminescence (EPL), la photoconductivité (PC) et la spectroscopie de modulation: photoréflectivité (PR), phototransmitivité (PT) et électroréflectivité (ER). Nous avons mis au pqint un programme d'ajustement théorique des spectres de photoréflectivité, permettant d'en extraire toutes les informations avec précision. Ces outils sont complémentaires les uns des autres et ont permis d'accéder aux propriétés optiques de ces matériaux. Le oint f de ces matériaux. Le point fort de ce travail est l'utilisation des puits quantiques contraints comme structure d'étude. Des puits quantiques dans le système InGaAs/InAlAs ont permis de déterminer la discontinuité de bande (à 5k et à 300k) pour des compositions en accord et en désaccord de maille sur InP, d'évaluer l'influence du lissa e des interfaces sur la qualité des structures, d'étudier l'évolution du paramètre d'élargissement de la PR avec le nombre quantique des transitions d'observer l'effet du dopage et de la température sur la réponse optique, et enfin, de mettre en évidence des puits de surface et de les modéliser. Une étude du même type a été menée dans le système InGaAs GaAs , où une ségrégation de l'indium a été introduite pour expliquer nos résultats. Une meilleure connaissance de la croissance des couches d'InAlAs sur !nP a été atteinte avec l'évaluation par photoréflectivité de la meilleure température de croissance et par l'étude des recombinaisons d'interface InAlAs/InP et InP/InAlAs
In(Ga)As/InAlAs on InP and InGaAs/(Al)GaAs on GaAs systems have been studied by optical excitation spectroscopies. These techniques are photoluminescence excitation (PLE), photoconductivity (PC) and modulation spectroscopies : phtoreflectance (PR) , phototransmittance (PT) and electroreflectance (ER). These several techniques have been employed in a complementary fashion to access, in association with theoretical calculations to optical properties of these materials. The key point of this work is the use of strained quantum wells as study structures. InGaAs/InAlAs quantum wells allows us a precise determination of the conduction band offset. This parameter has been determined at 5K and 300K for the lattice-matched composition and a lattice- mismatched one (In0;6Ca0,4As). Next, we have estimated the influence of growth interruption of the interface quality, studied the evolution of the broadening parameters of photoreflectance with quantum number observed the effect of doping and temperature on the optical response and, finally, we have taken in evidence and modelized surface quantum wells. Such a study has been done with InGaAs GaAs system ,where we introduce Indium segregation to explain our results. Another aspect of these experimental possibilities is illustrated through InAlAs/InP characterization with PR results about crystalline quality of InAlAs layers for different growth temperatures and with stud of InAlAs/InP and InP/InAlAs interface recombinations

Les défauts ponctuels dans les matériaux à grande bande interdite font l’objet de nombreuses recherches, compte tenu des perspectives d’applications en technologie quantique. La réalisation de qubits et de capteurs quantiques a échelle nanomètres à l’aide du centre NV– a suscité la recherche de défauts ayant des propriétés magnéto-optiques similaires, mais dans un matériau technologiquement plus mûr tel que le carbure de silicium (SiC). Le SiC se présente sous différentes structures cristallographiques, notamment cubique (3C) et hexagonales (4H et 6H). Cette propriété permet d’obtenir une plus grande variété de défauts ponctuels profonds. Dans cette thèse, j'ai établi présence du défaut azote-lacune (NCVSi) de spin S=1 dans un échantillon de 4H-SiC irradié par des protons, en réalisant la spectroscopie d'excitation de la photoluminescence à la température cryogénique et en comparant les résultats à des calculs ab initio. J'ai également développé un dispositif qui m'a permis de détecter optiquement la résonance magnétique de spin S=1 (ODMR) de la bilacune (VCVSi) dans un échantillon de 3C-SiC et d'étudier son interaction hyperfine avec des spins nucléaires d’atome de carbone et de silicium voisins
Point-like defects in wide-bandgap materials are attracting intensive research attention owing to prospective applications in quantum technologies. Inspired by the achievements obtained with the NV– center in diamond for which qubit and nanoscale quantum sensors have been demonstrated, the search for high spin color centers with similar magneto-optical properties in a more technological mature material such as silicon carbide (SiC) had a renewed interest. Indeed, SiC exhibits polymorphism, existing for instance with cubic (3C polytype) or hexagonal (4H and 6H polytypes) crystalline structures. Such property provides a degree of freedom for engineering a rich assortment of intrinsic and extrinsic atomic-like deep defects. In this thesis using photoluminescence excitation spectroscopy at cryogenic temperature and a comparison to ab initio calculations I have evidence the presence of nitrogen-vacancy spin S=1 (NCVSi) defect in proton irradiated 4H-SiC. I have also developed a setup that allowed me to detect optically the S=1 spin magnetic resonance (ODMR) of the divacancy (VCVSi) in 3C-SiC, and study its hyperfine interaction with nearby carbon and silicon nuclear spins

La photoluminescence des absorbeurs photovoltaïques permet de connaître les phénomènes de transport de charges et les propriétés optoélectroniques dont dépendent leurs performances. Cependant, son analyse repose sur des modèles physiques qui peuvent nécessiter des hypothèses non contrôlées et des paramètres inconnus. Cette thèse explore comment l'acquisition de cartographies de photoluminescence résolues spectralement en excitation pulsée peut contribuer à la caractérisation des matériaux, tout en limitant les connaissances préalables nécessaires et en contrôlant les hypothèses et modèles sous-jacents. D'une part, nous avons développé des systèmes d'imagerie décrivant l'intensité émise en quatre dimensions : 2D spatiale, temporelle et spectrale. D'autre part, nous avons réalisé des études de variation de longueur d'onde d'excitation et discuté leur relation avec l'absorption de la lumière. Les montages déjà mis en place illustrent l’intérêt de l’analyse des différentes dimensions de la lumière. Un imageur hyperspectral, fournissant le spectre dans chaque pixel, permet de caractériser les propriétés du matériau et les porteurs de charge générés. En complément, l'imagerie résolue en temps donne un aperçu des mécanismes de transport. Nous passons en revue et proposons différentes techniques pour obtenir des données 4D correspondant à l'évolution temporelle du spectre dans chaque pixel d'une image I_PL (x,y,énergie,temps). Parmi elles, l’imagerie monopixel utilise la modulation spatiale de la lumière pour reconstruire des cartographies spatiales. Trois techniques de mesure ont été développées sur le principe de l'imagerie à pixel monopixel. Elles correspondent à différents schémas d'échantillonnage dans l'espace 4D, en se concentrant sur les dimensions temporelles et spectrales qui sont atteintes avec de hautes résolutions. Leur mise en œuvre a été un défi car la photoluminescence correspond à des conditions de faible luminosité, et plus les résolutions sont élevées, plus la sensibilité est faible. Chaque dimension de la lumière impliquée doit être reconstruite avec précision tout en étant intriquée dans le processus d'acquisition. En particulier, l'impact de la diffraction et des interférences dues au modulateur spatial de lumière a été étudié. Ce travail instrumental a tout d'abord donné lieu à un système d’imagerie multimodale résolue temporellement et spectralement (2x3D). Il a été appliqué au suivi des mécanismes induits par la lumière dans les pérovskites, et qui conduisent à des changements dans de spectre et de dynamique. En second lieu, nous avons réalisé un outil d’imagerie 4D, illustré sur un échantillon d'arséniure de gallium. L'évolution conjointe de la photoluminescence dans les dimensions temporelle, spatiale et spectrale est observée en raison du remplissage des bandes et de la diffusion. Enfin, une méthode basée sur des algorithmes de segmentation d’image est proposée. Une cartographie spatiale est obtenue par imagerie mono-pixel, à partir de laquelle les zones d'intérêt sont déterminées avant d’y mesurer le déclin avec de hautes résolutions temporelles et spectrales. Un échantillonnage de la photoluminescence est obtenu avec un rapport signal/bruit élevé permettant son application à une variété d’échantillons et de conditions d'injection. Ces deux dernières approches sont uniques à notre connaissance et permettent d'obtenir une variation du PL dans les domaines combinés spatial, temporel et spectral. De plus, nous avons mis en place une méthodologie pour réaliser des études de longueur d'onde d'excitation sur l'imageur hyperspectral. Ainsi, l'absorptivité relative locale d’un échantillon de pérovskite inhomogène est obtenue sur une large gamme spectrale à partir d’une analyse combinée des spectres d'émission et d'excitation. Les mesures de réflectivité complétant cette étude fournissent des informations optiques et topologiques permettant d'affiner l'interprétation des cartographies de photoluminescence
Photoluminescence characterization of photovoltaic absorbers provides the charge transport phenomena and the optoelectronic properties on which their performance relies. However, their obtention is based on physical models and may require uncontrolled assumptions and unknown parameters. This thesis explores how acquiring spectrally resolved maps of photoluminescence in pulsed excitation can contribute to material characterization while limiting the necessary prior knowledge and controlling underlying hypotheses and models. On the one hand, we developed imaging systems describing the emitted intensity in four dimensions: 2D spatial, temporal and spectral. On the other hand, we performed excitation wavelength variation studies and investigated their relationship with light absorption. Maps of intensity can be acquired by pixelated detectors or non-imaging detectors, as in Single-pixel imaging. This approach employs spatial light modulation to reconstruct images and is particularly relevant to obtain multidimensional images. It is thus of interest for photoluminescence as each dimension brings information, as demonstrated by the setups already in use. A hyperspectral imager, providing the spectrum in each pixel, allows the characterization of material properties and the charge carriers generated. Complementarily, time-resolved imaging gives an insight into the transport mechanisms. We review and propose different techniques to obtain 4D data corresponding to the temporal evolution of the spectrum in each pixel of an image I_PL (x,y,energy,time). It provides the correlation between temporal and spectral dimensions, which was not available in the lab previously. Three measurement approaches were developed based on the principle of single-pixel imaging. They correspond to different sampling schemes in the 4D space, focusing on temporal and spectral dimensions that are reached with high resolutions. Their implementation was challenging as photoluminescence corresponds to low light conditions, and the higher the resolutions, the lower the sensitivity. Each dimension of light involved must be accurately reconstructed while entangled in the acquisition process. Particularly, the impact of diffraction and interferences due to the spatial light modulator has been investigated. This instrumental work allowed, first of all, combined time and spectrally resolved imaging (2x3D) of perovskite. It allowed monitoring of light-induced mechanisms that modify the photoluminescence spectrum and dynamics. Secondly, it has led to the characterization in 4D of the emission of a gallium arsenide wafer. The joint evolution of the signal in temporal, spatial, and spectral dimensions is observed due to band-filling and diffusion. At last, a workflow based on pixel clustering algorithms is proposed. A spatial map is obtained by single-pixel imaging, from which areas of interest are determined before the decay is obtained with high temporal and spectral resolutions. It allows an original sampling of photoluminescence with a high signal-to-noise ratio enabling its application to various samples and injection conditions. These last two approaches are unique to the best of our knowledge and provide photoluminescence variation in the combined spatial, temporal, and spectral domains. In addition, we have set up a methodology to perform excitation wavelength studies on the hyperspectral imager. It was demonstrated on an inhomogeneous perovskite sample from which the local relative absorptivity is obtained on a wide spectral range by combined analysis of the emission and excitation spectra. Reflectivity measurements completing this study provide optical and topological information allowing us to refine the interpretation of photoluminescence maps

Ce travail a ete consacre a l'etude du transfert d'excitation dans les nanocomposites a base de silicium poreux. Le but etait d'etudier le couplage des porteurs photogeneres dans les nanocristaux de silicium avec leur environnement, liquide, solide ou gazeux. Nous presentons ici l'investigation par des methodes de luminescence continue et resolue dans le temps, de trois structures composites : * le silicium poreux dans sa solution acide de formation : un processus de photodissolution des couches poreuses sous lumiere est mis en evidence et caracterise ; dans ce cas, les porteurs fuient physiquement les cristallites pour participer a la reaction photochimique permettant le passage des atomes de silicium dans la solution. * le silicium poreux impregne de colorants laser : il est demontre que les couches poreuses peuvent etre utilisees comme matrice d'accueil passive (excitation directe des molecules) ou active (transfert d'excitation de la matrice vers les molecules via un couplage dipolaire). * le silicium poreux couvert de liaisons si-h : une conversion de l'energie optique en energie vibrationnelle via un couplage dipolaire entre les porteurs et les vibrations de surface a lieu. Le role important de la surface specifique est alors mis en evidence malgre l'origine quantique de l'emission. Il ressort de cette etude que le silicium poreux, malgre sa faible efficacite quantique, est une bonne matrice d'accueil, grace a sa porosite ouverte et a sa grande surface specifique, et qu'il possede les proprietes d'un donneur d'excitation.

La spectrométrie photothermique résulte de l'effet thermique produit par la relaxation des états excités consécutivement à l'absorption d'une radiation lumineuse et repose sur une mesure optique de l'élévation de température induite dans le milieu. La technique utilise deux faisceaux lasers en configuration pompe-sonde, arrivant colinéairement ou orthogonalement dans l'échantillon. L'objet de ce mémoire a été d'étudier la configuration orthogonale qui nous paraît la mieux adaptée à la microdétection. Quel que soit le mode d'excitation, continu ou pulsé, le signal dépend de la position de l'échantillon sur l'axe de propagation des faisceaux, de la taille du faisceau d'excitation et de la taille relative des deux faisceaux dans l'échantillon ; une formule semi-empirique permettant de décrire l'influence de ces paramètres et de définir un réglage optimum a pu être établie. Dans le cas où l'excitation de l'échantillon est réalisée avec un laser continu modulé, les caractéristiques du signal sont plus complexes car la formation de l'élément thermique est beaucoup plus lente. L'influence de la taille des faisceaux, de la taille de l'échantillon et du flux dépend de la taille de l'élément thermique formé et donc de la fréquence de modulation. Aux conditions optimales dans les deux cas, le signal est proportionnel à l'énergie ou puissance d'excitation, inversement proportionnel à la taille du faisceau d'excitation et indépendant du trajet optique. Les sensibilités intrinsèques sont comparables, mais les performances pourront dépendre des caractéristiques des lasers d'excitation utilisés et du traitement du signal. L'étude temporelle du signal pulsé a permis de mesurer des profils de vitesse pour un flux laminaire dans un capillaire. Enfin, un module de détection intégrant le capillaire contenant l'échantillon et les fibres optiques servant à conduire le faisceau de sonde a été mis au point. Ce module a été couplé à un micro-mélangeur chaotique et l'ensemble a été expérimenté pour l'analyse du fer (II) par l'o-phénanthroline (LOD = 11 µg L-1)

La caractérisation d'oxydes de cuivre par photoluminescence a nécessité le développement d'un spectrofluorimètre. La sensibilité de la méthode a été testée sur des échantillons non-stoichiométriques. La corrélation de données obtenues par différentes méthodes optiques (spectroscopie de réflexion dans l'ultraviolet proche infrarouge, photoluminescence) a permis de préciser les domaines énergétiques mis en jeu lors des transferts radiatifs. La structure et la composition d'un film d'oxydation multicouches ont été établies (spectroscopie dans l'infrarouge, microsonde de Castaing). Un oxyde de cuivre(i), de composition Cu302, a été caractérisé. Différentes applications de la photoluminescence ont été proposées telles que l'aide à l'analyse de la corrosion d'un laiton ou la mise en évidence d'une étape de l'absorption dissociative de l'oxygène

Observation de 3 nouveaux systèmes de bandes par excitation en cathode creuse, dans la région 395-450nm : classement vibrationnel, analyse rotationnelle, transitions vers l'état fondamental x²pi (i) pour lequel des valeurs des constantes rotationnelles différentes des valeurs publiées conduisent à étudier la transition A²sigma-X²pi (i) (vers 580nm) par excitation par laser. Déduction de constantes moléculaires précises de l'état fondamental, qui permettent l'étude d'autres transitions rovibroniques plus complexes en cathode creuse ; mise en évidence de dédoublement de spin et de type lambda.

Nous presentons une etude du transfert d'excitation dans des double-puits quantiques asymetriques de semi-conducteurs ii-vi, cdte/cdmnte. Les methodes d'investigation sont la spectroscopie optique en mode continu, et la photoluminescence resolue en temps a l'echelle de la picoseconde. Nous avons exploite deux des proprietes physiques specifiques des semi-conducteurs ii-vi: ? l'incorporation de manganese au sein d'un alliage comme cdmnte conduit a l'observation d'effets magneto-optiques tres marques tels que l'effet zeeman geant. ? dans un puits quantique, les effets de l'interaction coulombienne entre porteurs se comparent en intensite aux effets de confinement de chaque type de porteurs dans les puits. Les proprietes de couplage entre puits ont ete etudiees en fonction des parametres structuraux des echantillons. Une variation du taux de transfert a ete observe lorsque l'epaisseur de barriere centrale, ou la concentration dans les puits, etaient modifiees ; ces deux parametres affectent respectivement la separation des deux puits, dans l'espace reel et en energie. De plus le champ magnetique offre la possibilite de moduler le profil de potentiel d'une heterostructure donnee, et ainsi permet d'amener les niveaux d'energie des deux puits en resonance. Nous montrons que le transfert des porteurs (electrons et trous) par effet tunnel a travers une barriere de potentiel est fortement affecte par leur interaction coulombienne. Ainsi le modele qu'il convient d'adopter pour expliquer les phenomenes de transfert entre puits dans ce type d'echantillons, est un modele entierement excitonique: l'electron et le trou ne sont pas transferes independamment, mais sous la forme d'une paire electron-trou liee, soit un exciton

Une nouvelle methode spectroscopique, appelee spectroscopie d'excitation de la resonance cyclotron, a ete developpee et appliquee a des echantillons du compose semiconducteur tellurure de cadmium (cdte). Les porteurs libres crees par une excitation laser sont detectes par l'intermediaire de leur resonance cyclotron a 35 ghz, ce qui permet d'obtenir le spectre de photoconductivite des echantillons sans faire des contacts electriques. Des echantillons cristallins massifs, des couches minces epitaxiees et des puits quantiques cdte/cdznte ont ete etudies. En ce qui concerne le cdte massif, une analyse de la forme de la raie de resonance cyclotron des photo-electrons montre la presence simultanee dans un meme echantillon de regions a mobilite tres elevee et de regions a mobilite dix fois moins elevee; ceci est attribue a une inhomogeneite de la concentration des impuretes acceptrices. Le spectre d'excitation de la resonance cyclotron, tres complexe, est surtout etudie dans la plage d'energies pres du gap, ou le photon incident donne lieu a un polariton excitonique dans le cristal. La creation efficace de photo-electrons dans cette plage est attribuee a deux mecanismes principaux: la diffusion inelastique de polaritons sur les donneurs neutres et l'annihilation de polaritons par des accepteurs ionises. En ce qui concerne les puits quantiques, il est demontre que cette technique hyperfrequence permet de detecter les porteurs crees dans le puits par une excitation optique. On constate encore dans ce cas l'importance des mecanismes excitoniques de creation de porteurs. Dans le spectre d'excitation d'un puits, les excitons donnent lieu a une serie de raies discretes, qui sont analysees a l'aide de deux descriptions des etats quantifies des excitons: la quantification du centre de masse et la quantification separee des porteurs