Spectroscopie d'excitation de photoluminescence appliquée aux couches minces dopées (Stage d'UE libre)

Ce stage s'est déroulé au sein de l'équipe Nanomatériaux appartenant à l'Institut Jean Lamour de l'Université Henri Poincaré (aujourd'hui Université de Lorraine). Ce stage s'est effectué sous la direction d' Hervé Rinnert et Emilie Steveler.

Contexte scientifique

Les études des spectres de photoluminescence sont utilisés pour mettre en évidence les propriétés d’émissions lumineuses de certains matériaux. Le principe de la spectroscopie de photoluminescence consiste à exciter les atomes d'un matériaux à l'aide d'une source lumineuse pour provoquer des transitions électroniques qui émettent à leur tour dans des longueurs d'ondes bien particulières. Deux type de spectres seront visibles par la suite, les spectres de photoluminescence (PL) réalisés avec un laser continu et avec une seule longueur d'onde et les spectres d'excitation de photoluminescence (PLE)réalisés avec un laser pulsé en faisant varier la longueur d'onde d'émission. Dans le cadre de ce travail nous avons excité des matériaux dopés de type SiO₂:Er et le SiO_xN_y:Er. On comprend bien que l'erbium va pouvoir être excité de deux manières différentes : de manière direct en exploitant les transitions optiques directement avec la source lumineuse ou de manière indirecte en exploitant un couplage de l'ion erbium avec les cristaux de silicium. Les mécanismes de transfert théorique trouvent leurs explications dans le modèle de [1].

Théoriquement ces transitions reposent sur la résolution de l'Hamiltonien :

Expérimentalement maintenant, on "bombarde" l'échantillon dopé avec un laser et on observe sa réponse pour étudier les différentes transitions possibles. C'est le sujet de la prochaine section.

Dispositif expérimental

Mon travail durant ce stage a été d'aider à la mise en place du dispositif de mesure permettant la réalisation de spectres PLE. J'ai principalement été actif dans la construction et la mise en place de routines d'automatisation de la prise de mesure sur le dispositif que je présente ici sous forme d'une animation.

Quelques résultats expérimentaux...

A l'aide du dispositif précédemment présenté nous avons pu réaliser différents spectres d'excitation de PLE "test" sur des échantillons de type SiO₂:Er et le SiO_xN_y:Er dont je présente les résultats brièvement ici.

Spectres PL

Tout d'abord nous avons réalisé un spectre PL sur les l'échantillons SiO₂: Er et SiO_xN_y:Er avec une longueur d'onde d'excitation λ_exc=325 nm bien connu pour exciter les nano-cristaux de silicium. Nous avons obtenu les deux courbes suivantes :

On voit clairement qu'il n'y a aucune excitation de Er ni directe ni indirecte pour SiO₂:Er en revanche SiO_xN_y:Er est excité de manière indirecte par les nano-cristaux de Si. Cela est du à une composition non stoechiométrique du second type d'échantillon qui permet la présence de nano-cristaux de Si.

Spectres PLE

Nous avons ensuite réalisé des spectres PLE grâce au dispositif expérimental décrit précédemment. Ces spectres de PLE sont effectués sur des échantillons de SiO₂:Er où aucun nano-cristaux de Si n'est présent comme vu précédemment.

On voit bien qu'ici nous venons exciter de façon directe les différentes transitions de l'Erbium d'après [2] (code couleurs pour les différents pics).

Pour valider notre nouveau dispositif expérimental nous avons fait une comparaison avec l'ancienne technique pour ce type de spectre.

en rouge l'ancienne technique, en noire la nouvelle. On voit nettement que la nouvelle technique permet de mettre à jour la transition ₄I_15/2→₄F_9/2.

Nous avons enfin effectué la même manipulation mais pour l'échantillon SiO_xN_y:Er porteur de nano-cristaux de Si. La comparaison entre les deux types d'échantillons est visible sur la figure qui suit :

En rouge la courbe de SiO₂:Er en noire celle de SiO_xN_y:Er. On reconnait bien la transition principale de l'Erbium mais celle-ci est grandement accentuée par les excitations indirectes dues à la présence des nano-cristaux. Il s'agit là d'un résultat des plus important car il montre que le couplage nano-cristaux Terre Rare permet d'exacerber la photoluminescence de ceux-ci ! Pour plus d'information j'invite le lecteur à lire le manuscrit de ce stage présent dans la section suivante.

Manuscrit de stage

Références