Spin dependent electron transport in semiconductors due to the Pauli principle

Résumé : Ce travail de thèse est consacré à l'étude du transport des électrons minoritaires dans des semi-conducteurs dopés, en fonction de la densité et de la température du gaz électronique. Dans des couches minces de p-GaAs, le transport de la charge et du spin est étudié par un approche à la fois théorique et expérimental en utilisant une technique de microscopie originale permettant d'imager en régime stationnaire le profil de charge et de spin en fonction de la distance r par rapport à la tache d'excitation lumineuse. L'étude de ces profils a faible concentration et sous l'application d'un champ électrique montre que la mobilité des électrons minoritaires est déterminée principalement par la température des électrons et non pas par la statistique des trous majoritaires, ce qui invite a reformuler les modèles théoriques concernant les processus de diffusion des porteurs minoritaires dans les semi-conducteurs. Notre technique expérimentale a aussi permis d'explorer un nouveau mécanisme de couplage charge-spin lorsque la densité électronique est élevée. En effet, sous l'effet de la dégénérescence du gaz électronique (forte concentration, basse température), une diminution de la polarisation de spin à l'endroit d'excitation apparaît, avec un maximum de polarisation visible à environ r=2 µm. Ce résultat contra intuitif révèle le fait que, à cause du principe de Pauli, la diffusion des photo-électrons dépend du spin, car la raideur de spin devient une fonction de la concentration dans le régime dégénéré. Un nouveau mécanisme de filtre à spin en découle, mais qui ne fait pas intervenir une interface entre deux matériaux. D'autres effets pouvant modifier le transport de spin dans le régime dégénéré sont les courants thermoélectriques de spin (courants de Soret) et le couplage ambipolaire avec les trous. Une comparaison entre les profils expérimentaux et une solution numérique des équations de diffusion couplées montre que le couplage ambipolaire augmente la concentration de photo-électrons dans le régime stationnaire, et donc l'amplitude des effets liées à la dégénérescence, tandis que les courants de Soret de spin sont négligleables. Des effets tels que la renormalisation du gap et le couplage Coulombien entre électrons de spin opposés sont aussi négligeables à cause de l'écrantage des intéractions électron-électron induit par le gaz électronique. On s'attend à que l'effet de la dégénérescence augmente dans des systèmes confinés, tels que les puits quantiques, où la raideur de spin et la mobilité peuvent avoir des dépendances en spin encore plus fortes.
Type de document :
Thèse
Physics [physics]. Ecole Polytechnique, 2015. English
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Contributeur : Fabian Cadiz <>
Soumis le : jeudi 9 juillet 2015 - 14:12:26
Dernière modification le : jeudi 15 novembre 2018 - 01:09:51
Document(s) archivé(s) le : mercredi 26 avril 2017 - 03:42:50

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Fabian Cadiz. Spin dependent electron transport in semiconductors due to the Pauli principle. Physics [physics]. Ecole Polytechnique, 2015. English. 〈tel-01174645〉

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