Spectroscopie Raman

L’acquisition de courbes angulaires selon les directions [0 0 1] et [1 0 1] permet d’avoir accès à tous les sites d’incorporation. Un site interstitiel octaédrique pour le bismuth dans le GaAs1-xBix se retrouve derrière une rangée cristalline pour une mesure autour de [0 0 1] (fig. 3.6b) ), mais dans le canal pour une mesure selon [1 0 1] (fig. 3.6d) ), montrant la nécessité de combiner les spectres angulaires selon deux directions cristallines afin d’exposer tous les sites d’incorporation.

Dans le cadre de ce projet, des ions 4_He+ _{de 2039 keV ont été utilisés pour les mesures} angulaires selon la direction cristalline [0 0 1] tandis que des ions 4_He+ _{de 2475 keV ont été} pris pour les mesures angulaires selon [0 1 1]. Une énergie de faisceau de 2475 keV pour les mesures selon [0 1 1] permet d’isoler le signal de bismuth du signal du gallium et de l’arsenic étant donné que les mesures selon [0 1 1] possèdent une épaisseur effective de la couche supérieure à celles des mesures selon [0 0 1] d’un facteur d’environ 1/cos(45◦).

3.6 Spectroscopie Raman

L’environnement local des atomes dans la couche a été analysé à l’aide de la spectroscopie Raman. Le paramètre le plus fréquemment extrait de telles mesures est la fréquence des phonons du système. Cette fréquence est fortement influencée par la structure cristalline, les contraintes du système, ainsi que la distribution des atomes dans la couche, ce qui ajoute de la valeur à la combinaison de mesures Raman avec des mesures XRD et RBS.

Un schéma du montage utilisé est présenté à la figure 3.7. Ce montage permettant de contrôler la polarisation, une attention particulière a été portée à ce qu’elle ne soit pas affectée par les différents miroirs, lames séparatrices, filtres et objectifs utilisés. Le laser utilisé est le modèle Torus 532 de la compagnie Laser Quantum et est utilisé à 100% de sa puissance maximale en sortie, soit environ 100 mW. Il s’agit d’un laser continu de 1064 nm doublé à 532 nm, ce qui correspond à une profondeur de pénétration d’environ 132 nm dans le GaAs. Le faisceau à la sortie du laser possède une divergence inférieure à 0.4 mrad, une stabilité en puissance inférieure à 1 % de déviation par rapport à la valeur quadratique moyenne et une longueur de cohérence supérieure à 100 m. Les différentes pièces optiques sont également optimisées pour fonctionner à cette longueur d’onde.

Le faisceau traverse initialement la zone 1. En modifiant l’orientation de la polarisation du faisceau avec la lame demi-onde, le polariseur agit comme un filtre pour contrôler l’intensité

b a c c b a c c b a c b a c a) b) c) d) As Ga Ga déplacés Bi Bi

Figure 3.6 Visualisation d’un cristal de GaAs1-xBix avec un atome de Bi substitutionnel à un atome d’arsenic. Les atomes de Ga déplacés correspondent aux plus proches voisins des atomes de Bi substitutionnels. a) Vue selon [001] avec une rotation de 10◦ selon [010]. b) Vue selon [001]. c) Vue selon [101]. d) Vue selon [001] avec un atome de Bi (atome en rouge) interstitiel sur un site tétraédrique. Images créées avec le logiciel VESTA [90].

étant transmise au reste du montage. Un puissance-mètre rétractable devant l’échantillon permet de déterminer la puissance incidente sur celui-ci. À moins d’avis contraire, cette puissance est de 1 mW. Une fraction de 10% du faisceau est transmise vers la zone 2, tandis que 90% est envoyée dans un bloc de décharge de faisceau (communément appelé beam

dump). Il est possible de contrôler l’orientation de la polarisation incidente sur l’échantillon

avec la lame demi-onde dans la zone 2. Une calibration minutieuse a été faite afin de bien déterminer la correspondance entre la position angulaire de la lame demi-onde et l’alignement de la polarisation sur l’échantillon. À noter qu’un butoir a été placé sur le bloc sur lequel est monté l’échantillon analysé. En appuyant les plans de clivage de ce dernier contre le butoir, l’orientation relative des plans cristallins et de la polarisation du faisceau est contrôlée et reproductible.

Une fois la polarisation incidente sur l’échantillon sélectionnée, le faisceau passe par un ob- jectif 50x à longue distance de travail de la compagnie Olympus. Le faisceau, auparavant collimaté, est maintenant focalisé sur l’échantillon. La taille du faisceau sur l’échantillon est estimée à un cercle de diamètre de 2 µm. L’augmentation maximale en température subie par l’échantillon lors d’une mesure est estimée à 1.6 K par,

∆T = P · (1 − R) 2 ·√πkTd

, (3.1)

où P représente la puissance à l’échantillon (1 mW), R représente le coefficient de réflexion du GaAs (0.37524 à 532 nm), kT est la conductivité thermique (52 _m·KW à 300 K) et d est le

diamètre du faisceau (2 µm). Bien que l’échantillon soit en réalité du GaAs1-xBix, le coefficient de réflexion du GaAs a été utilisé. L’impact de ce paramètre est jugé mineur considérant que ∆T va diminuer si le GaAs1-xBix réfléchit plus la lumière que le GaAs tandis que la valeur maximale de ∆T , obtenue pour R = 0 correspondant à l’entièreté de la puissance du faisceau étant dissipée dans l’échantillon, est de 2.7 K. La majorité des échantillons analysés possédant de très faibles rugosités de surface, la ségrégation d’atomes de bismuth ou de gallium vers la surface afin de la rendre métallique ne devrait pas être assez prononcée pour avoir un impact significatif sur l’augmentation de la température des échantillons lors des mesures Raman. L’astuce de la zone 2 provient du fait que peu importe la rotation apportée à la polarisation du faisceau dans la zone 2, le trajet de retour du faisceau subit une rotation inversée. Ainsi, la polarisation du faisceau dévié vers la zone 3 par la lame séparatrice sur le chemin du retour n’a pas été modifiée par rapport à la polarisation du faisceau ayant été fourni par la zone 1. Il devient donc facile d’utiliser le polariseur de la zone 3 pour choisir le type de signal observé. Une polarisation dite directe (croisée) peut être observée en alignant le

Figure 3.7 Schéma du montage de spectroscopie Raman utilisé.

polariseur de la zone 3 pour qu’il laisse passer une polarisation de faisceau faisant un angle de 0◦ (90◦) avec la polarisation du faisceau fourni par la zone 1. La lame demi-onde de la zone 3 ne sert qu’à tourner la polarisation transmise de manière à l’orienter avec l’axe le plus sensible du spectromètre. Cette lame demi-onde étant placée après le polariseur, elle ne modifie pas le type de mesure choisie, à savoir en polarisation directe ou croisée. Le filtre avant le spectromètre est un filtre passe long ayant pour but de couper le laser afin de ne pas saturer la caméra CCD. Ce filtre bloque également les diffusions Raman anti-Stokes.

Le spectromètre du montage est le modèle iHR 550 de la compagnie Horiba Jobin Yvon. Le réseau de diffraction utilisé possède 1800 traits/mm, soit le réseau disponible offrant la meilleure résolution en fréquence. L’ouverture des fentes d’entrée est de 0.08 mm. La caméra CCD est une Symphony II de Horiba Jobin Yvon. Cette caméra est refroidie à l’azote liquide avant chaque journée de mesure.

La calibration du montage se fait en translatant le bloc sur lequel l’échantillon se situe de manière à venir sonder un substrat de silicium cristallin fixé en place. Une mesure rapide en polarisation directe est effectuée et est utilisée par la suite pour calibrer les mesures faites durant la journée. Le pic Raman LO du silicium est positionné à 520.7 cm-1 _{en considérant} une longueur d’onde incidente de 532.0 nm. Une calibration à la lampe de Krypton aurait dû être plus précise, mais il a été trouvé qu’une telle calibration n’était pas reproductible. Un

léger écart sur le positionnement de la lampe, ce qui est inévitable étant donné qu’il faut la positionner dans le trajet optique avant chaque calibration et l’enlever après, se traduit en un mouvement allant jusqu’à 4 cm-1 _{des pics Raman. Ayant besoin d’une résolution inférieure à} 1 cm-1_{, cette option est rejetée.}