Formation de polarons magnétiques dans des boîtes quantiques de (Cd,Mn)Te insérées dans des nanofils de ZnTe

par Alberto Artioli

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de David Ferrand.

Soutenue le 17-06-2016

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Etienne Gheeraert.

Le jury était composé de Jean-Pierre Hermier, Nicolas Chauvin.

Les rapporteurs étaient Denis Scalbert, Olivier Krebs.


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés optiques de boites quantiques anisotropes de (Cd,Mn)Te insérées dans des nanofils de ZnTe. Les boites quantiques étudiées contenant 10% de Mn sont allongées suivant l’axe du fil ce qui tend à favoriser un état fondamental à trou léger ayant une susceptibilité de spin perpendiculaire à l’axe du fil. L’objectif principal de la thèse est l’étude de la formation du Polaron Magnétique dans ces boites et la détermination de leur anisotropie magnétique.Nous avons étudié en premier les propriétés optiques de nanofils de ZnTe et de nanofils coeurs-coquilles ZnTe/(Zn,Mg)Te. Ces études nous ont amené à modéliser les contraintes élastiques dans le cœur, dans la coquille et dans des boites allongées insérées dans les nanofils. Ce modèle nous a permis d’estimer les splittings entre les niveaux de trou lourd et de trou léger dans la boite et dans le fil.Nous avons étudié ensuite des nanofils contenant des boites magnétiques et non magnétiques par spectroscopie magnéto-optique. Dans les boites magnétiques, les interactions d’exchange entre les porteurs localisés et les spins de Mn induisent un très fort décalage Zeeman de la raie excitonique (Effet Zeeman Géant). Pour extraire des paramètres quantitatifs, nous avons combiné différentes techniques expérimentales sur le même nanofil (photo et cathodoluminescence, analyse dispersive en énergie du rayonnement X). Nous avons utilisé différentes orientations du champ magnétique pour déterminer l’anisotropie du trou dans la boite. Les valeurs expérimentales sont plus petites que les valeurs théoriques ce qui suggère un mauvais confinement du trou dans la boite.Afin d’obtenir un meilleur confinement du trou, nous avons étudié des boites de (Cd,Mn)Te entourées d’une coquille de (Zn,Mg)Te. Grace au meilleur confinement du trou, nous avons réussi à observer la formation du Polaron Magnétique excitonique. Des mesures de photoluminescence résolues en temps sur des nanofils uniques nous ont permis d’extraire l’énergie et le temps de formation du Polaron Magnétique entre 5K et 50K. La raie d’émission des boites présente un effet Zeeman géant inhabituel caractéristique d’un Polaron Magnétique à trou léger. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire la formation du Polaron Magnétique excitonique dans les boites quantiques. Ce model, basé sur l’énergie libre et valable pour des températures et des champs magnétiques arbitraires, a été utilisé pour rendre compte de l’ensemble des données expérimentales. Ce modèle a permis de déterminer les paramètres caractéristiques du polaron magnétique à trou léger (énergie, orientation and amplitude du moment magnétique, volume d’échange, anisotropie du trou).

  • Titre traduit

    Magnetic polaron in (Cd,Mn)Te quantum dot inserted in ZnTe nanowire


  • Résumé

    In this PhD work we study the optical properties of anisotropic (Cd,Mn)Te magnetic quantum dots inserted in ZnTe nanowires. The quantum dots containing typically 10% of Mn spins are elongated along the nanowire axis which tend to stabilize a light hole ground state with a spin susceptibility perpendicular to the nanowire axis. The main goal was to study the formation of exciton Magnetic Polarons in such quantum dots and to determine their magnetic anisotropy.We investigate first the optical properties of ZnTe and ZnTe/(Zn,Mg)Te core shell nanowires. We model the elastic strain profile in core-shell nanowires and in elongated quantum dots. From the strain profiles, we estimate the value of the light hole heavy hole splitting expected in the dot and in the nanowire.In a second step we study single nanowires containing magnetic and non magnetic quantum dots by magneto-optical spectroscopy. The exchange interactions between confined carriers and Mn spins induce a large Zeeman shift of the exciton line (Giant Zeeman Effect). To extract quantitative parameters, we combine different experimental techniques (photo and cathodoluminescence, energy dispersive X ray spectroscopy) on the same nanowire. We use also different magnetic field orientations in order to determine the hole anisotropy in the dot. The experimental values are smaller than the theoretical ones suggesting a weak confinement of the holes in the dot due to a small (Cd,Mn)Te/ZnTe valence band offset.In a third step we study nanowires containing (Cd,Mn)Te quantum dots surrounded by a (Zn,Mg)Te alloy. Thanks to the better hole confinement induced by the (Zn,Mg)Te alloy, the formation of exciton magnetic polarons can be observed. We perform time resolved photoluminescence studies on single nanowires in order to determine the energy and the formation time of magnetic polarons from 5K to 50K. The quantum dot emission line shows an unusual Zeeman shift, characteristic of a light hole magnetic polaron. We develop a theoretical model describing the formation of exciton magnetic polaron in quantum dots. We use this model, based on the free energy and valid for any temperature and magnetic field, to fit the whole set of experimental data. It allows us to determine the characteristic parameters of the light hole magnetic polarons (energy, orientation and magnitude of the magnetic moment, exchange volume, hole anisotropy).


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