Carrier LO Phonon Interactions in InAs/GaAs Quantum Dots:
Electronic Polarons and Excitonic Polarons
Interaction porteur-phonons dans les boîtes quantiques InAs/GaAs : Polarons électroniques et polarons excitoniques
Résumé
This thesis presents a study of electrons, holes and excitons confined in self-assembled InAs/GaAs quantum dots. The interaction of these confined carriers with the longitudinal optical (LO) phonons of the surrounding crystal lattice is investigated. It is found that this interaction leads to the formation of the so-called quantum dot polarons; hybrid carrier phonon states which are the true excitations of a charged dot.
The first part of this thesis describes the results of far
infrared (50 - 700 cm-1) magnetospectroscopy experiments performed on n- and p-doped samples. The intraband energy levels of these systems are probed. The magnetic field is an important experimental parameter, as it allows for the evolution of the energy levels, necessary for the observation of electronic
and hole polaron levels. Using the Fröhlich Hamiltonian, which couples the phonon and purely electronic states, the energy levels and oscillator strengths of the system are determined. For both the investigation of electrons and holes confined in dots, a good agreement is found between the calculations and the experimental results.
The second part of this thesis is dedicated to the study of the interaction between electron-hole pairs or excitons and the phonons of the lattice. The interband energy transitions of the dots are investigated using photoluminescence excitation and resonant photoluminescence spectroscopy under strong magnetic
fields up to 28 T. These techniques allow for the circumvention of the inhomogeneous broadening of the resonances that arise from size and composition fluctuations in the quantum dot ensembles.
The magnetic field dependence of the resonance energies allows for an unambiguous assignment of the interband transitions. The excitonic polaron energies as well as the oscillator strengths of the interband transitions are determined. The calculations
account well for the experimental data.
The first part of this thesis describes the results of far
infrared (50 - 700 cm-1) magnetospectroscopy experiments performed on n- and p-doped samples. The intraband energy levels of these systems are probed. The magnetic field is an important experimental parameter, as it allows for the evolution of the energy levels, necessary for the observation of electronic
and hole polaron levels. Using the Fröhlich Hamiltonian, which couples the phonon and purely electronic states, the energy levels and oscillator strengths of the system are determined. For both the investigation of electrons and holes confined in dots, a good agreement is found between the calculations and the experimental results.
The second part of this thesis is dedicated to the study of the interaction between electron-hole pairs or excitons and the phonons of the lattice. The interband energy transitions of the dots are investigated using photoluminescence excitation and resonant photoluminescence spectroscopy under strong magnetic
fields up to 28 T. These techniques allow for the circumvention of the inhomogeneous broadening of the resonances that arise from size and composition fluctuations in the quantum dot ensembles.
The magnetic field dependence of the resonance energies allows for an unambiguous assignment of the interband transitions. The excitonic polaron energies as well as the oscillator strengths of the interband transitions are determined. The calculations
account well for the experimental data.
Cette thèse présente une étude des électrons, trous, et excitons confinés dans des boîtes quantiques InAs/GaAs, en prenant en compte leur couplage avec les phonons longitudinaux optiques (LO) du réseau cristallin. Nous montrons que les porteurs confinés dans les boîtes quantiques sont en régime de couplage fort avec ces phonons, et que la conséquence de ce couplage est la formation de particules mixtes porteur-phonon, appelées polarons.
Dans un premier temps, l'interaction électron-phonon ainsi que trou-phonon est étudiée expérimentalement par spectroscopie dans l'infrarouge lointain (50-700 cm-1) sous champ magnétique intense (0-28 T). L'intérêt d'un champ magnétique est de déplacer les transitions électroniques, afin de les amener en résonance avec les phonons, là où les effets du couplage sont le plus évidents. Pour interpréter les résultats expérimentaux, nous avons calculé le couplage entre les états électroniques et les états de phonons LO en utilisant l'Hamiltonien de Fröhlich. On détermine ainsi les états polarons et les forces d'oscillateurs, qui sont en bon accord avec les résultats expérimentaux.
Dans un deuxième temps, nous étudions le couplage des paires électron-trou ou excitons avec les phonons LO. Les transitions interbandes sont sondées dans des expériences de magnetophotoluminescence pour des champs magnétiques allant jusqu'au 28 T. A cause des fluctuations de taille, de composition, et de forme des boîtes quantiques auto-organisées, les pics de photoluminescence sont élargis d'une façon inhomogène. Pour minimiser cet élargissement, des expériences de photoluminescence résonante et d'excitation de la photoluminescence sont effectuées, pour lesquelles un sous-ensemble de boîtes homogènes est sélectionné. Nous calculons les états de polarons excitoniques, ce qui nous permet de déterminer le spectre d'absorption des boîtes quantiques. Un bon accord théorie-expérience est obtenu.
Dans un premier temps, l'interaction électron-phonon ainsi que trou-phonon est étudiée expérimentalement par spectroscopie dans l'infrarouge lointain (50-700 cm-1) sous champ magnétique intense (0-28 T). L'intérêt d'un champ magnétique est de déplacer les transitions électroniques, afin de les amener en résonance avec les phonons, là où les effets du couplage sont le plus évidents. Pour interpréter les résultats expérimentaux, nous avons calculé le couplage entre les états électroniques et les états de phonons LO en utilisant l'Hamiltonien de Fröhlich. On détermine ainsi les états polarons et les forces d'oscillateurs, qui sont en bon accord avec les résultats expérimentaux.
Dans un deuxième temps, nous étudions le couplage des paires électron-trou ou excitons avec les phonons LO. Les transitions interbandes sont sondées dans des expériences de magnetophotoluminescence pour des champs magnétiques allant jusqu'au 28 T. A cause des fluctuations de taille, de composition, et de forme des boîtes quantiques auto-organisées, les pics de photoluminescence sont élargis d'une façon inhomogène. Pour minimiser cet élargissement, des expériences de photoluminescence résonante et d'excitation de la photoluminescence sont effectuées, pour lesquelles un sous-ensemble de boîtes homogènes est sélectionné. Nous calculons les états de polarons excitoniques, ce qui nous permet de déterminer le spectre d'absorption des boîtes quantiques. Un bon accord théorie-expérience est obtenu.
Domaines
Physique [physics]
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