Expérience de spectroscopie des états

Cryostat avec circulation fermée de l’hélium

Pour les expériences de spectroscopie des états neutres et chargés, à champ magnétique nul, nous avons utilisé un cryostat à circulation fermée de l’hélium fonctionnant grâce à un tube pulsé. L’avantage principal de ce type de cryostat est la stabilité grâce à l’absence d’éléments mobiles dans la partie froide. Pendant nos expériences, le point de focalisation

du laser restait au même endroit avec une erreur de moins d’un micron pendant plusieurs jours (les séries les plus longues ont duré 3 jours consécutifs).

Emplacement de l’échantillon dans le cryostat (piézo 3d)

L’échantillon était collé sur une monture associée à trois contrôleurs piézoélectriques (stack 3d) qui permettait le déplacement de l’échantillon sur trois axes avec une résolution spa-tiale de 0.1 micron. Ce montage a été positionné dans la partie isolée du cryostat, sur une platine froide (figure 2.3.1). La température de l’échantillon pendant nos expériences était d’environ 10K. Nous avons utilisé une configuration d’excitation et de détection

Figure 2.3.1: Emplacement de l’échantillon dans le cryostat avec circulation fermée d’hélium. Le stack 3d de contrôleurs piézoélectriques Micronix est monté sur une platine froide en cuivre et se trouve derrière un objectif de microscope.

confocale. Un objectif de microscope a été installé devant la monture des contrôleurs piézoélectriques à l’intérieur du cryostat. La précision du positionnement selon trois axes de 0.1 µm permet d’optimiser le signal des boîtes uniques.

Détail du montage optique

Le schéma général du montage expérimental est présenté sur la figure 2.3.2. Pour l’excitation, une diode laser CW est utilisée. Les deux longueurs d’onde utilisées sont 532 nm et 635 nm. 635 nm est en dessous de l’énergie du gap de l’AlGaAs, ce qui permet d’exciter les

porteurs dans les boîtes, tout en restant relativement loin de l’énergie de photolumines-cence des boîtes (qui est entre 700 et 800 nm) pour ne pas être gêné par la luminesphotolumines-cence du laser dans l’analyse spectrale. Cependant, cette longueur d’onde pose un autre problème: l’absorption de la lumière visible par la couche NiCr des contacts, est apparemment plus forte pour l’excitation à 635 nm, de sorte que l’excitation à 532 nm donne plus de signal pour la même puissance d’excitation.

Pour contrôler la puissance délivrée à l’échantillon, deux polariseurs linéaires sont utilisés. Comme l’excitation est toujours non résonante, la polarisation d’excitation est perdue après la relaxation des porteurs. La puissance peut être variée de quelques nW à 10-30 mW (selon le laser choisi et l’orientation des polariseurs).

Un miroir froid non polarisant est utilisé pour diriger le faisceau d’excitation vers l’échantillon. Comme le signal de µPL passe aussi par ce miroir, il est important de s’assurer qu’il ne change pas la polarisation du signal.

Pour faire des analyses en polarisation, une lame λ/2 (interchangeable avec une lame λ/4) dans un moteur de rotation Thorlabs et un polariseur ont été installés avant la fi-bre optique de détection. La détection est faite avec une fifi-bre optique monomode qui est couplée à un spectromètre Shamrock 500i et une caméra CCD Andor refroidie par un élément Peltier. Ce système a une résolution spectrale de 40 µeV , ce qui permet de déterminer des FSS à partir de 20 µeV , par la déconvolution de deux pics (ajustement avec des pics Gaussiens ou Lorentziens). Pour la visualisation de la surface d’échantillon, l’éclairage avec la lumière blanche est réalisé dans notre montage. Il est fait alternative-ment à la détection du signal, avec un miroir flip et une lampe blanche. La visualisation de l’échantillon est faite avec une caméra Thorlabs, le signal est dirigé vers la caméra par le même miroir flip , avec une lame séparatrice 50-50.

Automatisation

Pour effectuer des séries d’aquisitions de longue durée, nous avons interfacé la source de tension Keithley 2400b , un moteur tournant avec une lame λ/2 et la caméra CCD. Les programmes faits sous LabView contrôlent les appareils individuellement et le programme principal gère la séquence des actions. Ceci nous a permis de faire jusqu’à 1000 acquisitions de 10 minutes chacune, en trois jours, sans arrêt, en régime automatique, grâce à la stabilité du cryostat.

2.3.2 Expérience de micromagnétophotoluminescence

Cryostat “Spectromag”, connexions électroniques

Le cryostat utilisé est un modèle Oxford Spectromag alimenté par une alimentation de courant IPS-120 qui permet d’étudier les échantillons en champ magnétique jusqu’à 8 T. Les bobines magnétiques peuvent pivoter ce qui permet d’appliquer le champ mag-nétique en configuration Faraday (champ longitudinal) et en configuration Voigt (champ transverse). Le cryostat fonctionne avec un réservoir d’hélium liquide qui est connecté au volume dans lequel l’échantillon est placé.

Echantillon dans le VTI – montage

L’échantillon est collé sur un stack 3d de contrôleurs piézoélectriques Attocube monté sur une canne porte-échantillon (figure 2.3.3) qui est placée au coeur du Spectromag. Avec

Figure 2.3.3: Stack 3d de contrôleurs piezoélectriques Attocube monté sur une canne porte-échantillon, avec une lentille asphérique montée dans un support en cuivre

une résolution spatiale de 0,1 µm, nous pouvons optimiser le signal des boîtes uniques. Dans l’insert, une lentille asphérique avec une distance focale de 2 mm, est installée pour les expériences dans l’hélium liquide. Une résistance de 50 ohms a été montée pour chauffer le porte-échantillon et changer plus facilement les échantillons sans réchauffer tout

polarisant 70-30 (transmission-réflexion) dans la région des longueurs d’onde 700-1100 nm sert à l’excitation et à la détection devant le cryostat. Pour le contrôle visuel, une lame pelliculaire est utilisée pour pouvoir intervenir pendant les réglages avec le min-imum de perturbations, le système étant sensible aux moindres déplacements. Sur le chemin de la détection, une lame λ/2 et un polariseur sont posés devant une fibre optique monomode qui est couplée avec un double spectromètre et une caméra CCD Acton re-froidie par l’azote liquide. La lame λ/2 est installée dans un moteur tournant que nous utilisons pour automatiser nos acquisitions (section Automatisation). La résolution de ce système est ∼ 15µeV .

Automatisation

Plusieurs éléments du dispositif expérimental ont été interfacés avec l’ordinateur pour effectuer de longues séries de mesures. Le programme principal contrôle l’ordre des opéra-tions et permet de changer le champ magnétique (le courant généré par l’IPS), la position du moteur tournant, et aussi enregistrer les résultats des acquisitions de la caméra CCD dans un fichier.