Optical spectroscopy of boron nitride heterostructures

par Phuong Vuong

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Guillaume Cassabois et de Bernard Gil.

Soutenue le 24-10-2018

à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Spectroscopie optique de heterostructures de nitrure de bore


  • Résumé

    Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un semi-conducteur à large bande interdite (~ 6 eV) avec une stabilité thermique et chimique très élevées lui offrant la possibilité d'être utilisé dans des dispositifs fonctionnant dans des conditions de fonctionnements extrêmes. La nature indirecte de la bande interdite dans h-BN a été étudiée à la fois par des calculs théoriques et par des expériences. Un exciton indirect et des recombinaisons assistées par phonons dans h-BN ont été observées par photoluminescence.Durant cette thèse, nous avons étudié les propriétés optiques de cristaux massifs et de couches hétéro-épitaxiales de nitrure de bore hexagonal. Nous avons étudié des échantillons provenant de différentes sources et des cristaux qui ont été fabriqués en utilisant différentes méthodes de croissance pour nous permettre de mesurer les propriétés optiques intrinsèques de h-BN. Nous rapportons l'impact des symétries des phonons sur la réponse optique du h-BN en effectuant des mesures photoluminescence résolues par polarisation. L’analyse des données en polarisation, nous permet de mesurer la contribution du phonon manquant, celui qui n'a pas été détectée avant cette thèse. En suite, nous démontrons que l'origine de la structure fine du spectre de PL provient pour chaque réplique phonon d’une diffusion complémentaire de type Raman faisant intervenir le mode de phonon E2g à basse énergie (mode de cisaillement inter-feuillets). Les spectroscopies de photoluminescence et de diffusion inélastique Raman ont été combinées pour quantifier l'influence des effets isotopiques sur les propriétés optiques de h-BN ainsi pour révéler que les modifications des interactions de van de Waals liées à l'utilisation de 10B et 11B ou du bore naturel pour la croissance de cristaux h-BN massifs.Enfin, nous étudions des epitaxis de h-BN crues par Épitaxie sous Jets Moléculaires. L'utilisation conjointe de l’imagerie par microscopie à force atomique (AFM) et de la spectroscopie de photoluminescence permet de comprendre la première observation de recombinaison assistée par phonons dans des épitaxies de h-BN sur le saphir et le graphite. Ce résultat indique que la croissance de h-BN à large échelle par méthode épitaxiales est en voie d'acquérir la maturité nécessaire au développement technologique de h-BN.


  • Résumé

    Hexagonal boron nitride (h-BN) is a wide bandgap (~ 6 eV) semiconductor with a very high thermal and chemical stability often used in devices operating under extreme conditions. The indirect nature of the bandgap in h-BN is investigated by both theoretical calculations and experiments. An indirect excion and phonon-assisted reombinations in h-BN are observed in photoluminescene spectroscopy.This thesis focus on the optical properties of bulk and epilayers of h-BN. We investigated samples from different sources grown different methods in order to confirm the intrinsic optical properties of h-BN. We report the impact of the phonon symmetry on the optical response of h-BN by performing polarization-resolved PL measurements. From them, we will measure the contribution of all the phonon-assisted recombination which was not detected before this thesis. We follow by addressing the origin of the fine structure of the phonon-assisted recombinations in h-BN. It arises from overtones involving up to six low-energy interlayer shear phonon modes, with a characteristic energy of about 6.8 meV.Raman and photoluminescence measurements are recorded to quantify the influence of isotope effects on optical properties of h-BN as well as the modifications of van de Waals interactions linked to utilization of 10B and 11B or natural Boron for the growth of bulk h-BN crystals.Finally, we study h-BN thin epilayers grown by Molecular Beam Epitaxy at Nottingham University, atomic force microscopy (AFM) images and photoluminescence features are combined to confirm the first observation of phonon-assisted recombination in high quality thin h-BN epilayers grown on c-plane sapphire and Highly Ordered Pyrolitic Graphite. This demontrates that large scale growth of h-BN by epitaxy is getting a technologically required maturity.


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