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Transport de charge et de spin dans les nanofils

par Anne-Marie - publié le

Les nanofils semiconducteurs réalisés par épitaxie aux hydrures à l’Institut Blaise Pascal de Clermont Ferrand permettent un transport de charge et de spin sur des distances records de plusieurs dizaines de µm. C’est ce qu’ont observé des membres du groupe EPS du laboratoire, en utilisant une technique originale de micro-luminescence polarisée résolue en espace .
Comme le montre la Fig. 1, on focalise le laser sur le nanofil, puis la luminescence sur la fente d’entrée du spectromètre. On acquiert l’image de la CCD placée à la sortie. Une section horizontale de cette image donne le spectre de la lumière émise par un point donné du nanofil, tandis qu’une section verticale de cette image donne le profil spatial de la lumière émise à une énergie donnée. Sur cette figure, on voit que la luminescence à l’énergie de la bande interdite de GaAs (1.52 eV) s’étend effectivement sur une distance importante qui, ramenée au nanofil, correspond à environ 25 µm. De plus, si électrons sont créés polarisés de spin par une excitation laser polarisée circulairement, on observe que la polarisation circulaire de la luminescence ne diminue pratiquement pas pendant le transport, ce qui implique que les électrons ne perdent pas leur polarisation de spin.

Fig. 1 : Montage de microluminescence utilisé. On voit un cliché de miscroscopie électronique d’un nanofil de GaAs (longueur 80µm, diamètre 200 nm.

Si ces nanofils ont des caractéristiques record pour le transport de charge et de spin, c’est en raison de leur dopage n 1017 cm-3, soit un peu au-dessus de la transition isolant-métal. Dans ce cas, on sait que les fluctuations statistiques de la concentration de donneurs génèrent des fluctuations spatiales de l’énergie de la bande de conduction et de la bande de valence. Ces fluctuations piègent les électrons et les trous de manière différente, ce qui génère de très importants champs électriques internes d’origine ambipolaire. Le transport des phototrous n’ a pas de caractère diffusif, mais se fait par dérive dans ce grand champ électrique. Ainsi, paradoxalement, les fluctuations spatiales, au lieu de localiser les porteurs, favorisent leur transport sur de grandes distances. En outre, si le spin des photoélectrons est conservé pendant le transport, c’est en raison de la faible concentration de trous, qui génèreraient un mécanisme de relaxation de spin efficace.

H. Hijazi, D. Paget, G. Monier, G. Grégoire, J. Leymarie, E. Gil, F. Cadiz, C. Robert-Goumet, and Y. André « Charge and spin transport over record distances in GaAs metallic n-type nanowires » Phys. Rev. B 103, 195314 (2021)