Étude à l'échelle atοmique οf des propriétés structurelles et οptiques des systèmes nanométriques

Atomic-scale study of structural and optical properties of nanoscale systems

• Auteur / Autrice : Eric Weikum
• Direction : Lorenzo Rigutti, Angela Vella
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/11/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Eva Monroy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luiz Galvao Tizei, Aurélien Crut, Didier Blavette
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luiz Galvao Tizei, Aurélien Crut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Simulation, Méthodes de

Différences finies

Microscopie de fluorescence

Photoluminescence

Semiconducteurs

Sondes atomiques tomographiques

Mots clés libres

Sonde Atomique Photonique

Microscopie Corrélative

Semi-conducteurs

Sonde Atomique Tomographique

Photoluminescence

Finite Difference Time Domain

Simulations Numériques

Photonic Atom Probe

Correlative Microscopy

Semiconductors

Atom Probe Tomography

Photoluminescence

Finite Difference Time Domain Numerical Simulation

Résumé

L'objectif de la recherche présentée est d'approfondir la compréhension de l'ensemble des données recueillies à l'aide de la sonde atomique photonique (PAP), qui est un set-up de tomographie par sonde atomique permettant l'étude in-operando de la photoluminescence (PL) de l'échantillon. Pour ce faire, deux systèmes d'hétérostructures semi-conductrices (des puits quantiques (QW) en ZnO intégrés dans du (Mg,Zn)O et une diode laser (LD) basée sur le système de matériaux (Al,In,Ga)N) sont étudiés à l'aide de cette technique.L'étude du système de QWs de ZnO sert de système modèle pour l'étude de la réponse PL d'un émetteur localisé intégré dans un spécimen PAP semi-conducteur. En effectuant des simulations FDTD (Finite-Difference-Time-Domain) sur une série de géométries de pointes qui imitent le développement de la géométrie de l'échantillon pendant l'évaporation du champ, le développement de l'intensité PL qui est détecté pendant une expérience PAP in-operando est reproduit. La prise en compte de l'augmentation du coefficient d'absorption induite par le champ électrique (métallisation de la surface) permet d'obtenir un bon accord entre la simulation et l'expérience. Ces notions sont encore renforcées par l'étude in situ de la PL résolue par polarisation et sa comparaison avec une autre série de calculs FDTD.Les données PAP obtenues lors de l'étude de l'hétérostructure LD (Al,In,Ga)N sont ensuite présentées. Dans cette analyse, l'accent est mis sur l'analyse corrélative des propriétés optiques et structurelles de l'échantillon. Dans cette étude, l'identification des phénomènes physiques à l'origine de la réponse PL de la PAP peut être attribuée à différentes régions de l'échantillon et la cause de l'émission peut être attribuée à des mécanismes physiques (paires Mg-donneur-accepteur, présence de sections InGaN).

The goal of the present research is to further the understanding of the dataset collected using the Photonic Atom Probe (PAP), which is an Atom Probe Tomography set-up that allows for the in-operando study of the specimen's Photoluminescence (PL). In order to do this two semiconductor heterostructure systems (ZnO Quantum wells (QW) embedded in (Mg,Zn)O and a laser diode (LD) based on the (Al,In,Ga)N material system) are investigated using this technique.The investigation of the ZnO QWs-system serves as a model system for the investigation of the PL response of a localized emitter embedded within a semiconductor PAP specimen. By performing Finite-Difference-Time-Domain (FDTD) simulations on a series of tip geometries that mimics the development of the specimen geometry during its field evaporation the development of PL intensity which is detected during an in-operando PAP experiment is reproduced. Taking the electric-field induced increase of the absorption coefficient (surface metallization) into account yields a good agreement between simulation and experiment. These notions are further fortified by the in-situ investigation of the polarization resolved PL and its comparison to another set of FDTD calculations.The PAP data obtained from the investigation of the (Al,In,Ga)N LD heterostructure is then presented. In this analysis a special focus is set on the correlative analysis of the optical and the structural properties of the specimen. In this study the identification the physical phenomena causing the PAP’s PL response can be assigned to different regions of the specimen and the cause the emission can be traced back to physical mechanisms (Mg-donor-acceptor pairs, presence of InGaN sections).