Étude des effets des perturbations extérieures sur les propriétés optoélectroniques des boîtes quantiques couplées à base de GaAs - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Study of the effects of external perturbations on the optoelectronic properties of GaAs-based coupled quantum dots

Étude des effets des perturbations extérieures sur les propriétés optoélectroniques des boîtes quantiques couplées à base de GaAs

Résumé

This thesis work focuses on the computational study of the electronic and optical properties of a donor impurity confined in a coupled quantum structure based on the GaAs semiconductor alloy with a three-dimensional confinement formed by the AlηGa1−ηAs layer and subjected to the effect of external perturbations. For our calculations, which were carried out under the effective mass approximation, we employed the variational approach in Chapters II and III and the finite element method (FEM) in Chapter IV. The following subjects are of special interest to us throughout the thesis : the investigation of binding energy and energy levels ; variations of optical absorption coefficients (OACs) and adjustments in refractive index (RICs) ; polarizability ; photoionization cross section (PICS) ; and Stark shift. The binding energy (Eb), optical absorption coefficients (OACs) and refractive index changes (RICs) of an electron interacting with a donor impurity were first investigated. To do this, we varied the geometrical parameters of a double quantum dot structure (DQDs), impurity position, hydrostatic pressure and temperature. Our results reveal that the binding energy increases almost linearly with hydrostatic pressure and decreases with temperature for each donor impurity position. The amplitude of the resonance peaks of the optical responses (OACs and RICs) increases as the barrier width Lb is increased. Then, under the influence of hydrostatic pressure, an electric field and the donor impurity, we conducted a theoretical analysis of the PICS and polarizability. We found that when the pressure increases near the quantum dot’s center, the magnitude of the PICS for an impurity grows. This outcome is in line with how binding energy changes as the system’s pressure rises. The electric field affects the PICS in the opposite way from hydrostatic pressure, with a significant red-shift as the electric field strength increases. As the hydrostatic pressure rises, the polarizability inside the dot gradually increases. In addition, the polarizability of an impurity near the edge of the barrier changes abruptly as a function of the electric field. Finally, we performed a study of the variation of the Stark shift and PICS of a donor confined in an ellipsoidal core/shell quantum dot for the two shapes of ellipsoidal QDs—oblate and prolate—under the influence of a spatial electric field, taking into account its strength and direction. The discrete energy levels are produced by the FEM approach and the transitions between the donor ground level (1simp) and the first three nondegenerate electron states (1s0, 2s0 and 2p0) are the subject of our study. We proved that the electric field and the shape of the quantum dots have an impact on the PICS representing the transition from the donor impurity’s ground state (1simp) to one of the conduction subband states (1s0, 2s0, or 2p0). We have demonstrated that the Stark shift, which in turn influences the PICS, can be controlled by varying internal and external factors.
Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés électroniques et optiques d’une impureté donneur confinée dans une structure quantique couplée formée de l’alliage semiconducteur GaAs avec un confinement tridimensionnel formé par la couche AlηGa1−ηAs et soumis à l’effet de perturbations externes. Nous avons utilisé la technique variationnelle et la méthode des éléments finis (MEF) dans l’ensemble des travaux de cette thèse pour déterminer les niveaux d’énergie et calculer l’énergie de liaison du donneur. Les calculs ont été effectués dans le cadre de l’approximation de la masse effective et d’une bande parabolique. Afin de représenter les propriétés optiques couvertes par cette recherche, les niveaux d’énergie déterminés sont combinés avec les fonctions d’onde nécessaires pour modéliser : la variation des coefficients d’absorption optique (CAOs) et les changements d’indice de réfraction (CIRs) ; la polarisabilité ; la section efficace de photoionisation (SEP) et le décalage de Stark. Tout d’abord, nous avons examiné les effets de la variation des paramètres géométriques d’une structure à double boîtes quantiques (DBQs), de la position de l’impureté, de la pression hydrostatique et de la température sur l’énergie de liaison (Eb), les coefficients d’absorption optique (CAOs) et les changements de l’indice de réfraction (CIRs) d’un électron interagissant avec une impureté donneur. Nos résultats révèlent que l’énergie de liaison augmente presque linéairement avec la pression hydrostatique et diminue avec la température pour chaque position de l’impureté donneur. L’amplitude des pics de résonance des réponses optiques (CAOs et CIRs) augmente lorsque la largeur de la barrière est accrue. Nous avons ensuite effectué une étude théorique de la section efficace de photoionisation et de la polarisabilité sous l’influence de la pression hydrostatique, du champ électrique et de la position de l’impureté. Nous avons observé que l’amplitude de la SEP pour une impureté augmente à mesure que la pression augmente autour du centre de la boîte quantique. Ce résultat est compatible avec le changement de l’énergie de liaison lorsque la pression augmente dans ce système. Par rapport à la pression hydrostatique, le champ électrique a l’effet inverse sur la SEP, avec un décalage vers le rouge substantiel lorsque le champ électrique augmente. La polarisabilité à l’intérieur de la boîte augmente lentement à mesure que la pression hydrostatique augmente. En outre, la polarisabilité d’une impureté proche du bord de la barrière change brusquement en fonction du champ électrique. Ensuite, nous avons réalisé une étude de la variation du décalage Stark et de la SEP d’un donneur confiné dans une boîte quantique cœur/coquille ellipsoïdale pour les deux formes de BQs ellipsoïdales - oblate et prolate - sous l’influence d’un champ électrique spatial, en tenant compte de son intensité et de sa direction. La méthode des éléments finis est utilisée pour générer les niveaux d’énergie discrets et nous évaluons alors les énergies des transitions entre le niveau fondamental du donneur (1simp) et les trois premiers états non-dégénérés de l’électron (1s0, 2s0 et 2p0). Nous avons révélé que la SEP décrivant la transition de l’état fondamental de l’impureté donneur (1simp) à l’un des états de la sous-bande de conduction (1s0, 2s0 et 2p0) est affectée par la forme des boîtes quantiques et du champ électrique. Nous avons montré que la variation des paramètres internes et externes peut contrôler le décalage Stark qui, à son tour, affecte la SEP.
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Dates et versions

tel-04223379 , version 1 (29-09-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04223379 , version 1

Citer

A. Ed-Dahmouny. Étude des effets des perturbations extérieures sur les propriétés optoélectroniques des boîtes quantiques couplées à base de GaAs. Physique [physics]. Laboratoire des systèmes intelligents, des géo-ressources et des énergies renouvelables, Faculté des Sciences et Techniques de Fès Maroc, 2023. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04223379⟩
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