Propriétés électroniques et optiques des trions excitoniques dans les semiconducteurs bidimensionnels : Etude de l'action d'un champ magnétique uniforme

Abstract

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse est consacré à l’étude des trions excitoniques dans les semiconducteurs bidimensionnels. Ces quasi-particules peuvent résulter, dans certaines conditions, de la liaison d’un exciton (paire électron-trou liée) avec un électron ou un trou dans les semiconducteurs. Ils se distinguent des autres complexes excitoniques par leur mobilité et leur charge. Ces deux caractéristiques sont susceptibles de donner lieu à des propriétés originales, notamment dans les semiconducteurs quasi-bidimensionnels (super-réseaux semiconducteur, puits quantiques). L’étude des trions excitoniques présente un très grand intérêt, tant du point de vue pratique que théorique. Elle permet de comprendre les mécanismes des recombinaisons radiatives contrôlant le fonctionnement de certains dispositifs utilisés en optoélectronique et dans le domaine des télécommunications. Elle fournit également à la physique fondamentale des nouveaux modèles de systèmes formés de quasi-particules en interaction mutuelle, susceptibles d’une analyse expérimentale et théorique très précise. Notre étude a permis de montrer, qu’en l’absence de champ magnétique, ces quasi-particules étaient beaucoup plus stables dans les semiconducteurs bidimensionnels que dans les semiconducteurs massifs. Par conséquent, leur observation devrait être beaucoup plus favorable dans les milieux 2d. Nous envisageons même une possible observation à température ambiante. Nous avons montré que la forme des raies d’adsorption est différente de celle des excitons et autres complexes excitoniques localisés. Ceci devrait faciliter leur identification. Nous avons montré que l’action d’un champ magnétique sur les trions conduit à un renforcement et une quantification supplémentaire des énergies. De plus, nous avons mis en évidence l’influence déterminante de l’orientation du champ magnétique par rapport à la surface du semiconducteur sur le degré de quantification. Cette dernière est totale pour un champ perpendiculaire au plan est minimale pour un champ parallèle au plan. Pour des champs magnétiques non nuls, mais suffisamment faibles, les trions se comportent comme des quasi-particules libres et chargées. Dans ces conditions, le champ magnétique donne lieu à des niveaux de Landu comme le cas 3D. Pour un champ magnétique perpendiculaire, la magnéto-absorption se réduit à une série de pics de Dirac. Par contre, dans le cas d’un champ parallèle, elle donne lieu à une série de raies décroissantes vers les basses énergies, à partir d’un bord d’adsorption principal. Nos résultats sont originaux et spécifiques aux trions excitoniques. Ils peuvent contribuer à la mise en évidence et à l’identification de cas quasi-particules dans les milieux quasi-bidimensionnels (super-réseaux et puits quantiques semiconducteurs).