Etude des propriétés polaritoniques de ZnO et GaN. Application à l'étude de l'effet laser à polaritons dans une microcavité

par Emilien Mallet

Thèse de doctorat en Physique des Matériaux

Sous la direction de Pierre Disseix et de Joël Leymarie.

Soutenue le 03-09-2014

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme) (laboratoire) et de Institut Pascal (laboratoire) .

Le président du jury était Joël Cibert.

Le jury était composé de Pierre Disseix, Joël Leymarie, Fabrice Semond.

Les rapporteurs étaient Jérôme Tignon, Mathieu Gallart.


  • Résumé

    Ce manuscrit est consacré à la physique des polaritons dans deux matériaux semiconducteurs à grand gap : ZnO et GaN. Les paramètres polaritoniques de ces matériaux ont été déterminés avec précision grâce à une étude combinant différentes techniques spectroscopiques linéaires et non-linéaires (réflectivité continue, autocorrélation, photoluminescence et mélange à quatre ondes dégénérées). L’interprétation de ces résultats conduit à une meilleure compréhension des processus d’interaction au sein du semiconducteur : le rôle important des interactions polariton-phonon LO dans l’élargissement polaritonique a notamment pu être mis en évidence. Ce travail effectué sur des échantillons massifs est indispensable pour mener au mieux l’étude de l’effet laser à polaritons dans des microcavités présentée dans la seconde partie de ce manuscrit. Pour cette étude, deux microcavités massives semblables, une à base de ZnO l’autre de GaN, ont été réalisées. Les qualités photoniques de ces structures sont à l’état de l’art : elles présentent un bon facteur de qualité (Q ≈ 1000) et un faible désordre photonique. Le régime de couplage fort ainsi que l’effet laser à polaritons sont observés jusqu'à température ambiante. Enfin, l’établissement de diagrammes de phases permet de mettre en exergue le rôle important des phonons LO dans l’abaissement du seuil laser.

  • Titre traduit

    Study of polaritonics properties of ZnO and GaN. Application to the study of polariton laser effect in a microcavity


  • Résumé

    This manuscript is devoted to the physics of polaritons in two wide band gap semiconductor : ZnO and GaN. The polaritonic parameters of these materials have been accurately determined through a study which combines linear and non-linear spectroscopies (continuous reflectivity, autocorrelation, photoluminescence and degenerate four-wave mixing). The interpretation of these results lead to a better understanding of the interaction processes in the semiconductor : the important role played by the polariton-LO phonon interactions in the polaritonic damping is highlighted and particularly for ZnO. This preliminary work on bulk samples is essential for a suitable study of polariton lasing in microcavities like it is presented in the second part of this manuscript. For this study, two similar microcavities, one based on ZnO and another on GaN. The photonic properties of these structures are at the state of the art : they have a good quality factor (Q ≈ 1,000) and have a low photon disorder. The strong coupling regime and the polariton lasing are observed to room temperature. Finally, the establishment of phase diagrams allows to highlight the important role of LO phonons in reduction of the laser threshold.


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