Équipements
Informations générales
L’équipe Optoélectronique Quantique travaille autour d’outils de spectroscopie optique originaux, combinant résolution spatiale (sub-micronique) et temporelle (échelle pico/femto-seconde), températures cryogéniques et forts champs magnétiques pour la caractérisation des propriétés électroniques, optiques et de transport de nanostructures à base de matériaux semiconducteurs.
Les activités expérimentales s’appuient autour de nombreux équipements de spectroscopie optique :
sources d’excitation laser, continues ou impulsionnelles couvrant une large gamme spectrale
moyens de détection variés, continus ou résolus en temps et de haute sensibilité et couvrant également une large bande spectrale
- cryostats optiques, à flux fermé d’hélium, température ajustable 1.8 K / 4 K – 300 K, vibration mécanique <100 nm, champ magnétique 2 T et 7 T ou bobine vectorielle 5,2,2 T
Caractérisation optique par micro-réflectivité, micro-photoluminescence (µPL) à basse température (4 K)
Sources d’excitation :
- µRéflectivité : lampe tungstène-halogène
- µPL : diverses sources laser (HeNe, diodes laser, TiSa accordable en longueur d’onde…)
Cryostats optiques :
- 4 K- 300 K – OptiDry de chez MyCryoFirm / attoDry700 de chez attocube
- Objectifs de microscope compatibles 4 K et champ magnétique (Partec, attocube)
- Diamètre de spot sur l’échantillon ~1 µm
- Positionnement des échantillons via des nanopositionneurs de course 5 mm avec résolution 10 nm compatible 4 K et 9 T – de chez attocube
Systèmes de détection optique :
- Spectromètres Vis/NIR de chez Princeton Instruments / Horiba
- Détecteurs CCD Silicium faible bruit refroidis N2 de chez Princeton Instruments
- Barrette de photodiodes InGaAs de chez Princeton Instruments
Mesures de (micro-)photoluminescence résolue en temps (TRPL) pour analyser la dynamique temporelle de recombinaison des porteurs de charge dans des structures semiconductrices
Sources d’excitation impulsionnelle picoseconde (1.5 ps) ou femtoseconde (100 fs) basées sur :
- Laser TiSa 80 MHz accordable entre 700-1000 nm
- Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) 1.5 ps, accordable soit VIS (500-700 nm) ou SWIR (1050-1600 nm)
- Doubleur de fréquence (SHG) : 1.5 ps, accordable 350-500 nm
- Tripleur de fréquence (THG) : 1.5 ps, accordable 260-310 nm
- Pulse picker : fréquence de répétition accordable qq Hz-4 MHz
Détection résolue en temps :
- Caméra à balayage de fente synchro-scan (Streak camera) avec photocathode S25 de chez Hamamatsu – résolution temporelle <1 ps – gamme spectrale 400-850 nm
- Caméra à balayage de fente synchro-scan (Streak camera) avec photocathode S1 de chez Hamamatsu – résolution temporelle <5 ps – gamme spectrale 400-1500 nm
- Détecteur à photons uniques à base de nanofils supraconducteurs (SNSPD) de chez Single Quantum – résolution temporelle <200 ps – gamme spectrale ~500-2000 nm
- Photodiode à avalanche MPD – résolution temporelle <50 ps – gamme spectrale ~400-900 nm
- Photodiode à avalanche Excelitas – résolution temporelle <350 ps – gamme spectrale ~400-1100 nm
Expériences de pompage optique orienté et mesure de la dynamique de spin dans des structures semiconductrices
Contrôle de la polarisation optique (linéaire-circulaire) du laser d’excitation & Mesure de la polarisation optique (linéaire-circulaire) de la photoluminescence au moyen de polariseurs et lames d’onde adaptés aux longueurs d’onde d’étude.
Mesure de magnéto-PL résolue en polarisation
Etude optique des propriétés de transport de porteurs et de spin par imagerie de luminescence multi-dimensionnelle (spatiale, temporelle et spectrale)
Le transport des porteurs/spins peut être sondé à l’aide d’une mesure de photoluminescence. Une excitation laser induit une diffusion latérale des porteurs photogénérés. La luminescence est émise sur une région spatiale qui s’étend au-delà du point d’excitation, en conséquence de la diffusion des porteurs.
La longueur de diffusion s’écrit L=√Dτ, où τ et D sont respectivement la durée de vie des porteurs et le coefficient de diffusion. Elle peut être mesurée par des expériences de cw-PL au moyen d’une source d’excitation au profil spatial de haute qualité. La diffusion est mesurée à l’aide de caméras sCMOS 2D à haute sensibilité, dans la gamme VIS (caméra Hamamatsu) ou dans la gamme SWIR (caméra CCD QHY).
La diffusion peut également être étudiée en fonction du temps en utilisant une excitation pulsée (ps) et une détection résolue en temps (caméra streak).
Mesure d’électroluminescence pour la caractérisation de l’injection de spin dans des structures hybrides ferromagnétique / semiconducteur (spin-LED)
Setup MCD et mesures associées sur CrTe2
Principaux équipements utilisés :
- SLED 650nm
- Modulateur photo-élastique (HINDS Instruments) 42 kHz
- Photodiode amplifiée
- Détection synchrone