Mise en ´evidence exp´erimentale du couplage aux phonons acoustiques

La transition fondamentale d’une boˆıte quantique envisag´ee dans le cadre d’un ´emetteur `a 2 niveaux isol´e donne lieu `a un spectre lorentzien dont la largeur est d´etermin´ee par les taux d’amortissement des coh´erences. L’objet du paragraphe suivant est de mettre en ´evidence une d´eviation par rapport au profil lorentzien attendu.

Etude en temp´erature sur l’´echantillon `a petites boˆıtes quantiques Nous ´etudions dans ce paragraphe les spectres d’´emission de 2 boˆıtes quantiques `a diff´erentes temp´eratures ; il s’agit de la boˆıte quantique QD1, d´ej`a ´etudi´ee aux chapitres 2 et 3, et d’une boˆıte quantique que nous nommerons QD3. La figure 4.1 repr´esente le spectre de luminescence des 2 boˆıtes quantiques `a 10 K, `a une intensit´e d’excitation de 30W.cm−2. A cette puissance, la boˆıte quantique QD1 ne pr´esente pas de biexciton, contrairement `a la boˆıte quantique QD3. Nous n’avons pas de mesure du temps de vie radiatif de QD3 ; n´eanmoins, si l’on suppose le temps de capture comparable sur les 2 boˆıtes quantiques de cet ´echantillon, on en d´eduit le temps de vie radiatif de l’exciton de la boˆıte QD3 est plus long que celui de la boˆıte quantique QD1 (tx= 110 ps) car sa puissance de saturation est moins ´elev´ee. Comme le temps de vie radiatif est reli´e `a la localisation du centre de masse, les excitons de ces 2 boˆıtes quantiques ont une extension du mouvement du centre de masse diff´erente. Au chapitre 3, nous avons montr´e que la boˆıte quantique QD1 se trouve sur la partie droite de la courbe en U de d´ependance de force d’oscillateur en fonction de la taille des boˆıtes quantiques. Si donc le temps de vie radiatif de l’exciton de la boˆıte quantique QD3 est plus long, l’extension du centre de masse de l’exciton de la boˆıte quantique QD3 est plus petite que celle de l’exciton de la boˆıte quantique QD1. A basse temp´erature, on observe pour les 2 boˆıtes quantiques un profil de

1.682 1.684 1.686 1.688 1.690 Energie (eV) P L ( u .a .) XX X 10 K 1.696 1.697 1.698 Energie (eV) P L ( u .a .) 10 K

X

QD1 QD3

Fig.4.1 – Spectres de photoluminescence `a 10 K. A gauche : exciton de la boˆıte quantique QD1. A droite : Exciton et biexciton de la boˆıte quantique QD3. Des profils lorentziens en traits hachur´es mettent en ´evidence la d´eviation des profils par rapport au profil lorentzien ainsi que leur asym´etrie.

raie non-lorentzien `a 10 K, tant pour l’exciton que pour le biexciton (voir figure 4.1). Les ´ecarts entre la photoluminescence et les ajustements lorentziens (traits hachur´es) sont mis en ´evidence sur la figure 4.1. Sur les 2 raies, cet ´ecart semble plus important `a basse ´energie qu’`a haute ´energie :

Effet de l’environnement sur les raies d’´emission de l’exciton et du biexciton 91

les raies d’´emission sont asym´etriques.

La figure 4.11 repr´esente des spectres obtenus sur les 2 boˆıtes quantiques QD1 et QD3 entre 5 et 30 K. Cette figure montre que, lorsque la temp´erature augmente :

– L’´energie d’´emission baisse : ceci est dˆu `a la diminution de la bande interdite de GaAs et d’AlGaAs.

– L’intensit´e diminue avec la temp´erature. Cette diminution d’intensit´e provient de l’ac-tivation de processus non-radiatifs avec la temp´erature, comme par exemple l’´ejection de porteurs (´electrons ou trous) confin´es vers des ´etats d´elocalis´es du puits quantique de GaAs. De plus, la population thermique des ´etats excit´es de trous lourds, situ´es `a quelques meV fait diminuer la fraction d’´etats optiquement actifs, car la paire ´electron-trou form´ee par un ´electron dans l’´etat fondamental et un trou dans le premier ´etat excit´e n’est pas active optiquement.

– Les raies excitoniques se sym´etrisent progressivement et retrouvent une forme quasi-lorentzienne vers 25-30 K.

92 Effet de l’environnement sur les raies d’´emission de l’exciton et du biexciton 1 6 8 4 1 6 8 8 2 5 K 1 5 K 1 0 K X X X P L E n e rg ie (m e V ) 1 6 8 4 1 6 8 8 1 6 8 4 1 6 8 8

b) QD3

1696 1698

X

Energie (m eV) 7 K

P

L

1696 1698 15 K 1696 1698 25 K 1696 1698 x2 30 K

a) QD1

1680 1700 XX 15 K X Energie (meV)

Fig. 4.2 – Spectres de photoluminescence en fonction de la temp´erature a-sur la boˆıte QD1 b-sur la boˆıte quantique QD3. La mˆeme ´echelle est utilis´ee pour les diff´erentes temp´eratures. Des lorentziennes sont repr´esent´ees en pointill´es afin de mettre en ´evidence la d´eviation par rapport au profil lorentzien attendu et l’asym´etrie des raies. L’insert de la figure b montre le spectre `a 15K sur une plus grande fenˆetre spectrale.

Effet de l’environnement sur les raies d’´emission de l’exciton et du biexciton 93

Etude en temp´erature sur l’´echantillon `a grandes boˆıtes quantiques Une ´etude en temp´erature a ´egalement ´et´e men´ee sur l’´echantillon `a grandes boˆıtes quantiques. Nous nous int´eressons `a une boˆıte quantique nomm´ee QDc, repr´esent´ee sur la figure 4.3. Le profil de cette raie est gaussien et non lorentzien, comme le montre l’insert de la figure 4.3. Nous donnerons un peu plus loin dans le chapitre une interpr´etation physique de ce profil spectral.

Fig.4.3 – Spectre d’´emission du microdisque contenant la boˆıte quantique QDc `a 4K. Insert : Des ajustements gaussiens et lorentziens de la raie d’´emission de l’exciton de la boˆıte quantique QDc sont superpos´es au spectre pour mettre en ´evidence le profil gaussien de la raie.

La figure 4.4 repr´esente les spectres obtenus sur la boˆıte quantique QDc `a diff´erentes tem-p´eratures entre 4 et 38 K. Comme pour les boˆıtes quantiques pr´ec´edentes, on observe une asym´etrie de raie d’´emission de l’exciton. Pour mettre en ´evidence cette asym´etrie, nous avons ajust´e le centre de la raie d’´emission par une gaussienne.

94 Effet de l’environnement sur les raies d’´emission de l’exciton et du biexciton

Fig. 4.4 – Spectres de l’exciton de la boˆıte quantique QDc `a diff´erentes temp´eratures. La mˆeme ´echelle est utilis´ee pour les diff´erentes temp´eratures. Le centre de la raie est ajust´e par une fonction gaussienne.

Effet de l’environnement sur les raies d’´emission de l’exciton et du biexciton 95

Evolution des largeurs des raies d’´emission avec la temp´erature La figure 4.5 repr´esente la largeur `a mi-hauteur des raies d’´emission en fonction de la temp´erature. On observe une augmentation avec 2 pentes :

Fig.4.5 – Evolution de la largeur `a mi-hauteur des raies d’´emission en fonction de la temp´erature. Des ajustements lin´eaires servent `a mettre en ´evidence la rupture de pente.

– A basse temp´erature, la mesure de la largeur `a mi-hauteur correspond `a la largeur de la raie z´ero-phonon. Les pentes mesur´ees sont de 21 µeV.K−1 pour X1, 29 µeV.K−1pour X3 et 23 µeV.K⁻¹ pour XX3. Pour la raie X de la boˆıte quantique QDc, cette pente est de seulement 2.7 µeV.K−1. Notons que la largeur de raie de l’exciton de la boˆıte QDc, qui est de 140 µ eV `a 4K, n’est pas limit´ee par la r´esolution du dispositif exp´erimental, qui est de 90 µeV .

– A plus haute temp´erature, typiquement vers 15 K pour QD1, 25 K pour QD3, et environ 25-30K pour QDc, la raie z´ero-phonon et les bandes lat´erales contribuent `a la largeur `a mi-hauteur. A cette temp´erature, l’´elargissement dˆu au d´ephasage pur (c’est `a dire d´eclin de la coh´erence sans perte de population) s’additionne `a celui de la raie z´ero-phonon. Les pentes mesur´ees sont de 50 `a 60 µeV.K<sup>−1</sup> pour les boˆıtes quantiques QD1 et QD3. La pente mesur´ee sur QDc est beaucoup plus faible ; elle vaut 9 µeV.K<sup>−1</sup>. Les largeurs de raies des transitions des boˆıtes quantiques QD1 et QD3 sont beaucoup plus ´elargies par l’augmentation de la temp´erature que celle de l’exciton de la boˆıte quantique QDc ; `

a 30K les largeurs de ces transitions valent entre 0.85 `a 1.4 meV , tandis que la largeur de l’exciton de la boˆıte quantique QDc vaut 0.27 meV .

Cette figure met clairement en ´evidence la diff´erence entre les 2 ´echantillons : quelle que soit la temp´erature, l’exciton de la boˆıte QDc est plus fin que celui de QD1 et QD3. De plus, l’´elargissement avec la temp´erature est beaucoup moins important sur l’exciton de la boˆıte quantique QDc. Nous allons effectivement d´emontrer que l’interaction avec les phonons est beaucoup moins importante dans les grandes boˆıtes quantiques, telles QDc. Dans une moindre mesure, mais pour la mˆeme raison

96 Effet de l’environnement sur les raies d’´emission de l’exciton et du biexciton

(l’exciton de la boˆıte quantique QD1 est moins localis´e que celui de QD3), on observe ´egalement une diff´erence entre les 2 boˆıtes QD1 et QD3.

Dans le document Couplage fort exciton-photon pour une boîte quantique de GaAs en microdisque (Page 91-97)