Institut des
NanoSciences de Paris
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Nanostructures et systèmes quantiques

Nanophononique

  • Bernard Jusserand
  • Wang Peng (doctorant)

1. Nanofils

2. Structures multicouches

1) Nanofils

Collaboration avec le LPN, Marcoussis, J.C. Harmand et F. Jabeen

Nous étudions par spectroscopie Raman les nanofils GaAs réalisés par épitaxie par jets moléculaires au LPN suivant deux techniques de catalyse par des nano-gouttelettes soit d’or soit de gallium. La première technique produit des fils de structure cristalline originale, wurzite, et la seconde des fils de structure blende de zinc comme pour le matériau massif. Les nanofils sont transférés depuis le substrat de croissance vers un nouveau support où ils peuvent être étudiés individuellement. Nous avons développé un microscope Raman de fort grandissement (X100) qui permet d’étudier un fil unique avec une excellente stabilité de positionnement contrôlée par des déplacements piézoélectriques. Nous avons effectué des mesures de spectroscopie Raman avec une raie excitatrice à 514 nm et dans la gamme entre 700 et 900 nm. Dans le premier cas nous avons observé principalement une oxydation irréversible des fils avec formation d’oxyde d’arsenic cristallin. Dans le second cas, les fils ne sont pas perturbés par le laser, très faiblement absorbé dans le rouge et le proche infrarouge. Nous avons récemment déterminé l’énergie et la symétrie des résonances Raman au voisinage du gap du matériau. Dans le cas de la structure wurzite, nous avons observé une nouvelle configuration de la bande de conduction associée au doublement de la maille élémentaire. Nous avons également démontré que la dépendance des intensités Raman avec l’orientation des champs électromagnétiques incidents et diffusés (polarisations) était fortement affectée par le confinement diélectrique dans le fil. Il en résulte une extinction des champs perpendiculaires à l’axe du fil à l’intérieur de celui-ci.

Fig. 1 : Spectres Raman résonants d’un nanofil de structure wurzite (a) et comparaison des résonances Raman dans les fils de structure blende de zinc et wurzite (b). [click to enlarge]

 

[1] « Conduction band structure in wurtzite GaAs nanowires » : a resonant Raman scattering study, Wang Peng, F. Jabeen, B. Jusserand, J.C. Harmand, and M. Bernard, Appl. Phys. Lett. 100 (février 2012)

2. Structures multicouches

Collaboration avec le Laboratoire de Propriétés Optiques du Centro Atomico Bariloche dans le cadre du laboratoire associé international CNRS-CNEA LIFAN :

• Alejandro Fainstein

• Daniel Lanzillotti Kimura

• Guillermo Rozas (thèse soutenue en 2011)

De même que les photons peuvent être confinés dans des microcavités définies par des miroirs de Bragg, les phonons acoustiques peuvent être confinés par des superréseaux. Nous étudions le confinement de phonons dans des nanocavités GaAs/AlAs et plus généralement la manipulation des modes acoustiques dans des nanostructures à contraste d’impédance acoustique avec l’objectif de mettre en évidence le confinement acoustique et ses conséquences pour la transduction optique à haute fréquence et, à plus long terme, de l’utiliser pour modifier l’interaction avec les électrons, les photons et les autres phonons dans les nanostructures.

Fig. 2 : Renforcement du champ acoustique au centre d’une cavité, calculé par une technique de matrice de transfert. [click to enlarge]

 

Les études menées dans l’équipe portent sur la conception et la simulation des dispositifs à nanocavités acoustiques et leur étude par spectroscopie Raman, tandis que les mesures de spectroscopie pompe-sonde résolue en temps sont réalisé dans l’équipe « Acoustique, optique et thermique ultra-rapides dans les nanosystèmes » de l’INSP. L’ensemble des échantillons est réalisée dans l’équipe d’A. Lemaître, CNRS-LPN, Marcoussis. Les principaux résultats obtenus sont les suivants :

a) Spectroscopie Raman à haute résolution

Nous avons démontré par spectroscopie Raman haute résolution l’effet tunnel acoustique entre une cavité et le substrat, évalué les limites en termes d’anharmonicité du réseau cristallin et d’inhomogénéité des épaisseurs de couches. Pour cela nous avons développé un dispositif original de spectroscopie combinant notre triple spectromètre Raman en mode additif avec un dispositif Fabry Pérot accordable en pression (voir page spectroscopie Raman à très haute résolution). La résolution actuelle est de 6e-3 cm-1, soit un peu moins de 1 µeV.

Fig. 3 : Spectre Raman haute résolution d’une série de nanocavités de paramètres identiques sauf le nombre de paires GaAs/AlAs (N=4, 8, 12 et 16) constituant le miroir arrière qui contrôle le couplage acoustique entre la cavité et le substrat. La largeur du mode de cavité varie avec N, une mesure rendue possible par la très haute résolution du dispositif expérimental. [click to enlarge]

 

[2] « Lifetime of THz Acoustic Nanocavity Modes », G. Rozas, M.F. Pascual Winter, B. Jusserand, et al. Phys. Rev. Lett. 102, 015502 (2009)

b) Résonances sélectives entre excitons confinés et phonons acoustiques repliés

Pour une transduction photoacoustique la plus intense et la plus sélective possible, il est nécessaire de comprendre les mécanismes de couplages et leur dépendance avec la structure de bande des échantillons. Nous avons observé des résonances géantes entre les excitons confinés dans les puits d’un multipuits quantiques et les modes acoustiques repliés de cette structure qui constitue un transducteur de haute performance largement étudié en acoustique picoseconde. Nous avons mis en évidence que les spectres acoustiques résonants dépendaient fortement de la fonction d’onde de l’exciton confiné en résonance, un effet reproduit quantitativement grâce à un facteur de forme électroacoustique qui intervient également dans la relaxation des porteurs par exemple dans les boîtes quantiques.

Fig. 4 : Spectres Raman obtenus sur un multi-puits quantique pour trois énergies incidentes en résonance avec trois excitons confinés dans le puits. [click to enlarge]

 

Nous avons également observé des effets polaritoniques marqués à la résonance avec l’exciton de plus basse énergie, effets que nous avons reproduits quantitativement en termes de Brillouin résonant.

[2] « Dispersion and damping of multiple quantum-well polaritons from resonant Brillouin scattering by folded acoustic modes », B. Jusserand, A. Fainstein, R. Ferreira, S. Majrab, and A. Lemaitre, Phys. Rev. B 85, 041302 (2012)

c) Génération et détection optimisée de phonons acoustiques cohérents

• détermination de la fonction de transmission cohérente large bande de nanocavités acoustiques entre deux transducteurs en aluminium, observation des pics de cavité avec des largeurs spectrales d’une fraction de GHz :

Fig. 5 : Transmission acoustique mesurée à travers un miroir et une cavité acoustique. Dans la cavité des modes résonants de transmission apparaissent au milieu des bandes de forte réflectivité des miroirs. [click to enlarge]

 

• génération spécifique d’un mode de cavité par excitation optique résonante de la cavité :

Fig. 6 : Spectre acoustique d’une nanocavité en fonction de la longueur d’onde du laser. A des fréquences en résonance avec les niveaux quantiques de la cavité, seul le mode de cavité est couplé à la lumière. [click to enlarge]

 

[9] « Selective Optical Generation of Coherent Acoustic Nanocavity Modes », M. F. Pascual Winter, G. Rozas, A. Fainstein, B. Jusserand, B. Perrin, A. Huynh, P. O. Vaccaro, and S. Saravanan, Phys. Rev. Lett. 98, 265501 (2007)

• renforcement de l’efficacité de génération par confinement photonique :

Fig. 7 : Schéma de principe d’une cavité mixte photonique et phononique ; la structure phononique complète est insérée dans la cavité photonique grâce à la grande différence de longueur d’onde, l’alignement des maxima des champs électrique et de déformation est réalisé par construction. [click to enlarge]

 

[5] « Resonant Raman scattering of nanocavity-confined acoustic phonons » N. D. Lanzillotti-Kimura, A. Fainstein, B. Jusserand, et al. Phys. Rev. B 79, 035404 (2009)

[10] « Coherent Generation of Acoustic Phonons in an Optical Microcavity », N. D. Lanzillotti-Kimura, A. Fainstein, A. Huynh, B. Perrin, B. Jusserand, A. Miard, and A. Lemaître, Phys. Rev. Lett. 99, 217405 (2007)

• Nous avons démontré la génération optique et propagation millimétrique de « modes lents » (bord de stop-band ou mode de cavité suivant la structure) détectés par une couche d’aluminium à l’arrière du substrat, ainsi que la détection optique monochromatique haute fréquence (plus de 400GHz) d’un continuum acoustique généré par une couche d’Aluminium à l’arrière du substrat.

[3] « La nanophononique : un outil pour l’acoustique térahertz », B. Jusserand et B. Perrin, Images de la Physique 2008, p.73 (2009)

• mise en évidence de la coïncidence entre les optimums de génération et de détection dans un dispositif où deux superréseaux ont été épitaxiés sur les faces opposées d’un substrat :

Fig. 8 : Spectre acoustique déterminé en fonction de la position sur le gradient de période du superréseau de détection acoustique. Le très grand renforcement de l’efficacité de transduction à la coïncidence spectrale entre les fonctions de génération et de détection est observé au point 4. [click to enlarge]

 

Publications récentes :

[1] « Conduction band structure in wurtzite GaAs nanowires : a resonant Raman scattering study », Wang Peng, F. Jabeen, B. Jusserand, J.C. Harmand, and M. Bernard, Appl. Phys. Lett. 100 (février 2012)

[2] « Dispersion and damping of multiple quantum-well polaritons from resonant Brillouin scattering by folded acoustic modes », B. Jusserand, A. Fainstein, R. Ferreira, S. Majrab, and A. Lemaitre, Phys. Rev. B 85, 041302 (2012)

[3] « La nanophononique : un outil pour l’acoustique térahertz », B. Jusserand et B. Perrin, Images de la Physique 2008, p.73 (2009)

[4] « Lifetime of THz Acoustic Nanocavity Modes », G. Rozas, M.F. Pascual Winter, B. Jusserand, et al. Phys. Rev. Lett. 102, 015502 (2009)

[5] « Resonant Raman scattering of nanocavity-confined acoustic phonons » N. D. Lanzillotti-Kimura, A. Fainstein, B. Jusserand, et al. Phys. Rev. B 79, 035404 (2009)

[6] « Optimized optical generation and detection of superlattice acoustic phonons », M. F. Pascual Winter, A. Fainstein, B. Jusserand, et al. Appl. Phys. Lett. 94, 103103 (2009)

[7] « Subterahertz monochromatic acoustic wave propagation using semiconductor superlattices as transducers », A. Huynh, B. Perrin, N. D. Lanzillotti-Kimura, et al. Phys. Rev. B 78, 233302 (2008)

[8] « Phonon engineering with acoustic nanocavities : Theoretical considerations on phonon molecules, band structures, and acoustic Bloch oscillations », N. D. Lanzillotti-Kimura, A. Fainstein, C. A. Balseiro, and B. Jusserand , Phys. Rev. B 75, 024301 (2007)

[9] « Selective Optical Generation of Coherent Acoustic Nanocavity Modes », M. F. Pascual Winter, G. Rozas, A. Fainstein, B. Jusserand, B. Perrin, A. Huynh, P. O. Vaccaro, and S. Saravanan, Phys. Rev. Lett. 98, 265501 (2007)

[10] « Coherent Generation of Acoustic Phonons in an Optical Microcavity », N. D. Lanzillotti-Kimura, A. Fainstein, A. Huynh, B. Perrin, B. Jusserand, A. Miard, and A. Lemaître, Phys. Rev. Lett. 99, 217405 (2007)

[11] « Acoustic phonon nanowave devices based on aperiodic multilayers : Experiments and theory », N. D. Lanzillotti-Kimura, A. Fainstein, B. Jusserand, A. Lemaître, O. Mauguin, and L. Largeau, Phys. Rev. B 76, 174301 (2007)

[12] « Sub-terahertz phonon dynamics in acoustic nanocavities », A. Huynh, N. D. Lanzillotti-Kimura, B. Jusserand, B. Perrin, A. Fainstein, M. F. Pascual-Winter, E. Peronne, and A. Lemaître, Phys. Rev. Lett. 97, 115502 (2006)

[13] « Phonon Bloch oscillations in acoustic-cavity structures », N.D. Lanzillotti Kimura, A. Fainstein, and B. Jusserand, Phys. Rev. B 71, 031305 (R) (2005)

[14] « Confinement of acoustical vibrations in a semiconductor planar phonon cavity, M. Trigo, A. Bruchhausen », A. Fainstein, B. Jusserand, and V. Thierry-Mieg, Phys. Rev. Lett. 89, 227402 (2002)