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

par Lucie Prussel

Thèse de doctorat en Physique de la mati?re condens?e

Sous la direction de Val?rie V?niard.

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 propri?t?s optiques non-lin?aires de mat?riaux semi-conducteurs soumis ? un champ ?lectrostatique


  • Résumé

    La connaissance des propri?t?s optiques est fondamentale pour l?am?lioration des mat?riauxet des dispositifs non-lin?aires.Elle offre la possibilit? de chercher de nouveaux mat?riaux ayant des propri?t?s bien sp?cifiques.Une fa?on de moduler certaines de ces propri?t?s est d?appliquer un champ ?lectrostatique sur les mat?riaux,donnant lieu ? des effets ?lectro-optiques. Ce champs statiquepeut ?tre appliqu? volontairement sur le syst?me ou ?tre d?j? pr?sent d? ? la structure du mat?riau:par exemple ? une interface une accumulation de charges se cr?e g?n?rant un champ ?lectrostatique ?l'int?rieur du mat?riau.Un des effets ?lectrostatiques les plus connus est l'effet Pockels ou effet ?lectro-optique lin?aire (LEO).Il s'agit d'une r?ponse du second ordre, quicorrespond ? une correction ? la r?ponse optique lin?aire en pr?sence d'un champ statique.Un important processus non-lin?aire est la g?n?ration de seconde harmonique (SHG), o? deux photonssont absorb?s par le mat?riau et un photon est ?mis ? une ?nergie deux fois plus grande que celle du photonincident. Ce processus est tr?s sensible ? la sym?trie du mat?riau. En effet, si le syst?me ?tudi? pr?senteune sym?trie d'inversion alors la r?ponse de seconde harmonique sera nulle. Cependant ajouter unchamp statique ? l'int?rieur du mat?riau permettrait de g?n?rer une r?ponse du second ordredans n'importe quels mat?riaux, qu'ils soient ou non centrosym?triques.Ce ph?nom?ne est un processus de troisi?me ordre appel?EFISH (Electric Field Induced Second Harmonic).Le but de ma th?se ?tait de calculer th?oriquement et num?riquement les r?ponses optiques lin?raireset non-lin?aires (deuxi?me harmonique)de mat?riaux soumis ? un champ ?lectrostatique, soient les corrections au premier et second ordreLEO et EFISH.J'ai calcul? ces deux r?ponses dans le cadre d'un formalisme ab-initio, reposant sur laTDDFT (Time-Dependent Density Functional Theory), pour des mat?riaux semi-conducteursou isolants.Ces calculs ont, dans un premier temps, ?t? appliqu?s ? des mat?riaux massifs simplesde type carbure de silicium (SiC),ars?niure de gallium (GaAs), etc, pour valider notre formalisme.Ils ont ensuite ?t? appliqu?s ? des mat?riaux plus complexes d'int?r?t technologiquescomme Si/Ge et des mat?riaux 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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