Phénomènes dépendants du spin dans des structures à un puits quantique CdMnTe à modulation de dopage de type-n

Doctoral thesis French OPEN
Teran , Francisco Jose (2001)
  • Publisher: HAL CCSD
  • Subject: semiconductor | effet Hall quantique | ion Mn2+ localisé | électron délocalisé | excitons | excitons. | interaction d'échange sp-d | quantum Hall effect | : semiconducteurs | delocalized electron | optical properties | sp-d exchange interaction | spin | localized Mn2+ ion | [ PHYS.COND ] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat] | propriétés optiques

The study of the electronic and magnetic properties of n-type modulation doped CdMnTe quantum well structures has allowed to investigate the sp-d exchange interaction between 2D electrons and localized magnetic moments of Mn2+ ions. Such exchange interaction realigns the electronic spin states leading to a giant Zeeman splitting which deeply modifies the optical and electronic properties of the semiconductor host. At low magnetic fields, the sp-d exchange interaction term can be successfully described by the mean-field approach. However, in the high magnetic field region, we observe that a zero effective Zeeman energy (EZ=0) does not necessarily imply a closing of the spin gap. Raman scattering and transport experiments indicate a repulsion between spin up and spin down Landau levels. A model based on an anticrossing of the spin split Landau levels permits an almost complete understanding of our data. The magnetic properties of the Mn2+ ion subsystem show an influence of the carrier presence. The Knight shift of the position of the EPR spectrum can be described by the mean field approach in the low magnetic field region. However, the mean field approach does not account for the large shift of the Mn2+ spin resonance observed at high magnetic fields in the vicinity of EMnZ=EeZ. A model based on a resonant interaction between the mean-field spin excitations for electrons and Mn2+ ions has been proposed in order to interpret the Raman and EPR experimental data. Finally, a study of the evolution of the optical response as a function of carrier density in modulation doped II-VI quantum well structures reveals a persistence of excitonic transitions for electron densities for which Fermi energy is comparable to the exciton binding energy. Our investigation leads to address the question whether such observations are characteristic of homogenous system or they involve a phase separation.; L'étude des propriétés électroniques et magnétiques des structures à un puits quantique CdMnTe à modulation de dopage de type-n nous a permis d'explorer l'interaction d ‘échange sp-d entre les électrons 2D délocalisés et les moments magnétiques localisés des ions Mn2+. Cette interaction d'échange sépare les états de spin électronique induisant un splitting Zeeman géant lequel modifie profondément les propriétés électroniques et optiques du semi-conducteur. A faible champ magnétique, l'interaction sp-d peut être décrite par une approximation de champ moyen. Néanmoins, à fort champ magnétique nous observons qu'une énergie effective Zeeman nulle n'entraîne pas la disparition complète du gap de spin. En effet, des expériences de transport et de spectroscopie Raman montrent une répulsion entre les niveaux de spin up et down. Nos résultats peuvent être expliqués dans le cadre d'un modèle basé sur l'anti-croisement des niveaux de Landau résolus en spin. Les propriétés magnétiques du sous-système d'ions Mn2+ sont fortement influencées par la présence des porteurs. Le ‘Knight shift' observé pour la position du spectre RPE peut être décrit par l'approximation de champ moyen pour de faibles champs. Cependant, cette approximation ne permet pas de décrire la valeur importante du ‘Knight shift' à fort champ au voisinage de EMnZ=EeZ. Pour interpréter nos résultats expérimentaux de spectroscopie Raman et de RPE nous proposons un modèle basé sur l'interaction résonante entre les excitations de spin pour les électrons et pour les ions Mn2+. Finalement, une étude de l'évolution de la réponse optique des puits quantiques CdMnTe en fonction de la concentration d'électrons montre une persistance des effets excitoniques lorsque l'énergie de Fermi est comparable à l'énergie de liaison excitonique. Suite à nos recherches, l'homogénéité de nos systèmes est remise en cause.
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