One dimensional plasmons in etched quantum wires, a Raman spoectroscopy study.
Plasmons dans un potentiel unidimensionnel
Etude par spectroscopie Raman de fils quantiques gravés
Résumé
We have investigated doped deep etched Quantum Wire based on a GaAs/AlGaAs quantum well using Raman spectroscopy. Collective electronic excitations of the quasi-one dimensional electron gas (Q1DEG) have been observed. They exhibit selection rules, which are different from the 2D case. We have shown theoretically that the origin of this difference comes from the strong modification of the local electromagnetic field due to the particular geometry of this samples. This allows the identification of observed excitations as plasmons. Neither single particle excitations (SPE), nor spin density fluctuations have been observed under the experimental conditions. We have explored the continuous transition of the Q1DEG plasmon dispersion between the 2D case (1 µm wire width) and the 1D case (30 nm wire width). Above 60 nm, the experimental dispersions well reproduce theoretical one given by the Eliasson's hydrodynamical model. Below 60 nm a comparison with RPA dispersions is necessary. The intraband plasmon is observed until 45 nm. When the width is less than this value the Raman spectra are dominated by localised excitations whose nature as to be more precisely determined. We show by comparison with RPA dispersions that the 1D quantum limit (only one subband occupied) is reached for width below 55 nm.
We determined the influence of the strong illumination by comparison with magneto-transmission spectroscopy experiments. A critical width of 130 nm is deduced from the analysis of the variation of the peak intensity of the magnetoplasmon with the wire width. A semiclassical model for the confining potential well agree with Raman and FIR datas.
We have fabricated samples with more complex geometry : modulated wire whose width is periodically modulated. Plasmon dispersions analysis by Raman spectroscopy show the existence of folded and confined plasmon modes in this kind of wires
We determined the influence of the strong illumination by comparison with magneto-transmission spectroscopy experiments. A critical width of 130 nm is deduced from the analysis of the variation of the peak intensity of the magnetoplasmon with the wire width. A semiclassical model for the confining potential well agree with Raman and FIR datas.
We have fabricated samples with more complex geometry : modulated wire whose width is periodically modulated. Plasmon dispersions analysis by Raman spectroscopy show the existence of folded and confined plasmon modes in this kind of wires
Nous avons étudiés des fils quantiques dopés de semi-conducteurs gravés par spectroscopie de diffusion Raman. Nous avons observés les excitations du gaz d'électrons. Celles-ci présentent des règles de sélection différentes de celles établies pour les systèmes bi-dimensionnels. Nous avons montré théoriquement qu'elles proviennent de la modification de la structure du champ électromagnétique local provoquée par la géométrie particulière des fils gravés. Pour cela nous avons dû calculer le champ local et l'introduire dans la section efficace de diffusion Raman pour en déduire les règles de sélection de toutes les excitations. Cela a permis de déterminer sans équivoque la nature des excitations qui sont des plasmons. Aucune excitations à une particule ni fluctuations de densité de spin n'a été observées. Nous avons étudié l'évolution continue des dispersions de ces plasmons lorsque la largeur du fil est réduite de 1 micromètre à 30 nm. Jusqu'à 60 nm, celles-ci sont en très bon accord avec les résultats d'un modèle hydrodynamique. Au dessous de 60 nm, la comparaison avec un modèle RPA s'impose. Le plasmon intra-bande dispersif est observé jusqu'à 45 nm, largeur en dessous de laquelle les spectres Raman sont dominés par des excitations localisées qui nécessitent une analyse ultérieure pour en déterminer clairement leur nature. Nous montrons à l'aide du modèle RPA que nous avons atteint la limite quantique pour un fil de largeur 55 nm. Une gamme étroite de fils dont les largeurs sont comprises entre 55 nm à 45 nm permet donc l'étude de gaz strictement unidimensionnel.
Nous avons cherché à déterminer la contribution de la forte illumination dans les conclusions précédentes. Nous avons utilisé pour cela la spectroscopie de magnéto-transmission infra-rouge qui ne modifie pas les conditions d'équilibre du gaz d'électrons. Une largeur critique de 130 nm a été extraite, en dessous de laquelle nous n'avons plus aucun signe de la présence d'électrons libres. La comparaison des mesures Raman et infra-rouge a permis l'établissement et la validation d'un modèle microscopique du potentiel de confinement présent dans les fils. Enfin nous avons fabriqués des échantillons de géométries plus complexes. L'observation et l'analyse par diffusion Raman des plasmons dans ces fils a montré que nous pouvions contrôler la géométrie du potentiel confinant les électrons et a mis en évidence des effets nouveaux tels que le repliement et le confinement de plasmons unidimensionnels.
Nous avons cherché à déterminer la contribution de la forte illumination dans les conclusions précédentes. Nous avons utilisé pour cela la spectroscopie de magnéto-transmission infra-rouge qui ne modifie pas les conditions d'équilibre du gaz d'électrons. Une largeur critique de 130 nm a été extraite, en dessous de laquelle nous n'avons plus aucun signe de la présence d'électrons libres. La comparaison des mesures Raman et infra-rouge a permis l'établissement et la validation d'un modèle microscopique du potentiel de confinement présent dans les fils. Enfin nous avons fabriqués des échantillons de géométries plus complexes. L'observation et l'analyse par diffusion Raman des plasmons dans ces fils a montré que nous pouvions contrôler la géométrie du potentiel confinant les électrons et a mis en évidence des effets nouveaux tels que le repliement et le confinement de plasmons unidimensionnels.
Loading...