Croissance et études spectroscopiques (continues et résolues dans le temps) de couches ultra-minces d'isolants topologiques

Growth and spectroscopic studies (continuous and time-resolved) of ultrathin films of topological insulators

• Auteur / Autrice : Mateusz Weis
• Direction : Pascal Ruello, Jacek Szade, Katarzina Balin, Gwenaëlle Vaudel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/01/2019
• Etablissement(s) : Le Mans en cotutelle avec Uniwersytet Śląski (Katowice, Pologne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans ; 2012-....) - Institut des Molécules et Matériaux du Mans / IMMM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spintronique

Spectroscopie femtoseconde

Couches minces métalliques

Isolants topologiques

Mots clés libres

Isolants topologiques

Bi2Te3

Spintronique

Couches ultra-minces

Spectroscopie femtoseconde

Topological insulators

Bi2Te3

Spintronics

Ultrathin films

Femtosecond spectroscopy

Résumé

Les isolants topologiques (TIs) sont l'un des éléments clefs de la nouvelle génération de composants pour la spintronique. Ils offrent des perspectives de conversion de charge en courant de spin ou de réalisation de diodes Schottky à l'échelle nanométrique à base de fermions Dirac. Lorsque les TIs sont élaborés en couches ultra-minces (<10nm), ou soumis à un dopage approprié en éléments magnétiques, des modifications dramatiques se produisent sur la structure électronique et la dynamique des porteurs et des phonons. Pour décrire ces comportements partiellement compris, nous avons utilisé tout d’abord une chambre MBE pour faire croître des films de Bi2Te3 sur un substrat de mica muscovite. La structure monocristalline du film a été confirmée par des mesures LEED et RHEED, et les études complémentaires de structure électronique par XPS ont été conduites. La spectroscopie femtoseconde pompe-sonde a ensuite été utilisée pour l’étude dynamique des porteurs chauds et des phonons optiques et acoustiques cohérents.Dans cette thèse, nous mettons en évidence un effet de confinement quantique (<6nm) qui affecte les temps de vie des porteurs de charges mais aussi la dynamique des phonons. Des comportements similaires ont été observés quand les films (12nm) sont en interaction avec une couches magnétiques déposées en surface (dopage). La contribution respective des électrons de volume et ceux de surface (Dirac) à ces phénomènes est discutée. Ces résultats originaux apportent de nouveaux éclairages sur la physique des électrons et des phonons dans les couches minces d’isolants topologiques.

Topological insulators (TI) are one of the critical elements for the new generation of electronics and spintronics devices. Such as charge-to-spin current conversion gates or Dirac fermions based nanometer scale Schottky diodes. When reduced just too a few single layers or exposed to additional doping, TI begins to show a dramatic effect that changes the electronic structure and in consequence dynamics of carriers and phonons. In order to describe those behaviors, I used advanced high-vacuum cluster with MBE to produce ultrathin films of Bi2Te3. The samples were grown on a muscovite mica substrate. The monocrystalline structure of the film was confirmed with both LEED and RHEED measurements, and the complementary studies of electronic structure focused on the analysis of the valence band and core levels. The femtosecond pump-probe spectroscopy has been used to excite the hot carriers and generate coherent optical phonons within Bi2Te3 nanostructures and observe it in the time domain.In this thesis, I reveal an evident modification of the out-of-equilibrium carriers and phonons dynamics when extreme thickness or doping modify the BT layer. Performed experimental optical measurement integrate both bulk and surface electrons, but nonnegligible surface carriers contribution still gives a strong response. This continuous and time-domain investigation provides new insight into physical properties of topological insulators and shows that downscaling the topological insulators properties and their interaction with metallic interfaces have to be taken into account for potential TIs based spintronic devices.