Ab-initio description of optical nonlinear properties of semiconductors under an electrostatic field

par Lucie Prussel

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée

Sous la direction de Valérie Véniard.

Le président du jury était Henri Bachau.

Le jury était composé de Delphine Marris-Morini, Julien Toulouse, Elena Degoli.

Les rapporteurs étaient Claudio Attaccalite, Christian Brouder.

  • Titre traduit

    Description ab-initio de propriétés optiques non-linéaires de matériaux semi-conducteurs soumis à un champ électrostatique


  • Résumé

    La connaissance des propriétés optiques est fondamentale pour l’amélioration des matériauxet des dispositifs non-linéaires.Elle offre la possibilité de chercher de nouveaux matériaux ayant des propriétés bien spécifiques.Une façon de moduler certaines de ces propriétés est d’appliquer un champ électrostatique sur les matériaux,donnant lieu à des effets électro-optiques. Ce champs statiquepeut être appliqué volontairement sur le système ou être déjà présent dû à la structure du matériau:par exemple à une interface une accumulation de charges se crée générant un champ électrostatique àl'intérieur du matériau.Un des effets électrostatiques les plus connus est l'effet Pockels ou effet électro-optique linéaire (LEO).Il s'agit d'une réponse du second ordre, quicorrespond à une correction à la réponse optique linéaire en présence d'un champ statique.Un important processus non-linéaire est la génération de seconde harmonique (SHG), où deux photonssont absorbés par le matériau et un photon est émis à une énergie deux fois plus grande que celle du photonincident. Ce processus est très sensible à la symétrie du matériau. En effet, si le système étudié présenteune symétrie d'inversion alors la réponse de seconde harmonique sera nulle. Cependant ajouter unchamp statique à l'intérieur du matériau permettrait de générer une réponse du second ordredans n'importe quels matériaux, qu'ils soient ou non centrosymétriques.Ce phénomène est un processus de troisième ordre appeléEFISH (Electric Field Induced Second Harmonic).Le but de ma thèse était de calculer théoriquement et numériquement les réponses optiques linéraireset non-linéaires (deuxième harmonique)de matériaux soumis à un champ électrostatique, soient les corrections au premier et second ordreLEO et EFISH.J'ai calculé ces deux réponses dans le cadre d'un formalisme ab-initio, reposant sur laTDDFT (Time-Dependent Density Functional Theory), pour des matériaux semi-conducteursou isolants.Ces calculs ont, dans un premier temps, été appliqués à des matériaux massifs simplesde type carbure de silicium (SiC),arséniure de gallium (GaAs), etc, pour valider notre formalisme.Ils ont ensuite été appliqués à des matériaux plus complexes d'intérêt technologiquescomme Si/Ge et des matériaux sous contrainte.


  • Résumé

    A deep understanding of the optical properties of solids is crucial for the improvement of nonlinear materials and devices.It offers the opportunity to search for new materials with specific properties.One way to tune some of those properties is to apply an electrostatic field. This gives rise to electro-optic effects.The most known among those is the Pockel or linear electro-optic effect (LEO), which is a second order response property.An important nonlinear process is the second harmonic generation (SHG), where two photons are absorbed bythe material and a photon is emitted at twice the energy of the incoming photon. While this process is sensitive tothe symmetry of the material, adding a static field would enable a nonlinear response from every material,including centrosymmetric ones. This happens through a third order process, named EFISH (Electric Field Induced Second Harmonic).We have developed a theoretical approach and a numerical tool to study these two nonlinear properties (LEO and EFISH)in the context of Time-dependent Density Functional Theory (TDDFT), and we have applied it to the case of bulk SiC andGaAs as well as layered systems such as Si/Ge.


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