Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/42103
Type: Tese
Title: Estudo de propriedades estruturais, ópticas e químicas de nanoestruturas semicondutoras de GaAs
Authors: Ana Clara Sampaio Pimenta
First Advisor: Franklin Massami Matinaga
First Co-advisor: Juan Carlos González Pérez
First Referee: Victor Lopez Richard
Second Referee: Joaquim Fernando Monteiro de Carvalho Pratas Leitão
Third Referee: Leandro Malard Moreira
metadata.dc.contributor.referee4: Cristiano Fantini Leite
Abstract: O arseneto de gálio (GaAs) é um material amplamente estudado pela comunidade científica, cuja fase cristalina cúbica (ZB) possui características bem estabelecidas na literatura. Entretanto, quando esse composto é crescido em dimensões nanométricas, algumas de suas propriedades podem ser modificadas, como é o caso do empilhamento em uma nova estrutura cristalina: a wurtzita (WZ). As particularidades do GaAs-WZ conferem ao material diferentes estruturas eletrônica e vibracional, resultando em propriedades optoeletrônicas não observadas no GaAs-ZB. Na primeira parte deste trabalho, estudamos as propriedades químicas, eletrônicas e ópticas de nanofios (NWs) de GaAs dopados e politipismo, utilizando espectroscopia Raman (μ-RS), micro-fotoluminescência (μ-PL) e magneto-PL. Observamos, que os NWs são bastante sensíveis às densidades de potência da excitação (L), apresentando uma fotodegradação superficial a partir de L= 184 kW/cm², em temperatura ambiente, que corresponde a um aquecimento local em torno de T = 388 ºC. Constatamos, que nesta temperatura o NW sofre oxidação térmica e, ao contrário do que foi reportado na literatura, isso causa uma perda abrupta de arsênio e formação do óxido de gálio policristalino. Além das propriedades químicas, investigamos os processos de recombinação radiativa em NWs de GaAs:Mg com politipismo. Esse tipo de NW, apresenta diferentes mecanismos de recombinação radiativa, devido a não-homogeneidade axial da sua heteroestrutura. A partir de medidas de μ-PL em baixa temperatura, verificamos que os principais mecanismos de recombinação nesta amostra se referem a éxcitons livres no GaAs-WZ e éxcitons espacialmente indiretos. Notamos que essas emissões são fortemente influenciadas pela desordem estrutural na amostra e, que são mais intensas, para a excitação polarizada perpendicularmente ao eixo do NW (c). Por fim, um estudo preliminar com um campo magnético externo, orientado perpendicularmente à direção c, sugere que os resultados obtidos são fortemente afetados pelas flutuações locais de potencial no NW e não podem ser explicados de forma satisfatória com o modelo existente. Na segunda parte desta tese, estudamos a interação não-linear da luz-matéria, no regime de acoplamento forte. Observamos que o decaimento do éxciton-poláriton gera uma radiação com propriedades parecidas a um laser que, consequentemente, provoca efeitos não-lineares no poço quântico (SQW) de GaAs-ZB. Essa emissão foi caracterizada e a partir dos resultados de PL resolvida com polarização e potência, constatamos a geração de segundo harmônico (SHG) pelo SQW de GaAs. Concluímos, que a eficiência da SHG é dependente da dessintonia entre as energias do éxciton e do modo da cavidade, mostrando um aumento significativo na condição em que o éxciton-poláriton sofre condensação.
Abstract: Gallium arsenide is widely studied by the scientific community, its crystalline cubic phase presents characteristics which are well established in the literature. However, when this compound is grown in nanometric dimensions, some of its properties can be changed for instance, there can be the emergence of a new crystal structure: the wurtzite (WZ). The particularities of WZ GaAs result in different electronic and vibrational structures, culminating in unobserved optoelectronic properties in relation to ZB GaAs. In the first part of this work, we studied the chemical, electronic and optical properties of doped and polytypic GaAs nanowires (NWs), by means of Raman spectroscopy (μ-RS), microphotoluminescence (μ-PL), and magneto-PL. We observed that the NWs are sensitive to excitation pump power densities (L), showing a superficial photodegradation for L = 184 kW/cm², at room temperature, which corresponds to local heating around T = 388 ºC. We realized that at this temperature value, the NW undergoes thermal oxidation and, in contrast to what has been previously reported in the literature, this process causes an abrupt loss of arsenic and the formation of polycrystalline gallium oxide. In addition to chemical properties, we investigated the radiative recombination processes in GaAs:Mg NWs with polytypism. This kind of NW exhibits different radiative recombination mechanisms, due to the axial inhomogeneity of its heterostructure. From the μ-PL at low temperatures, we verify that the main recombination mechanisms in this sample are related to the free exciton in WZ GaAs and spatially indirect excitons. We observed that these emissions are strongly disturbed by the structural disorder in the sample and are more intense for the excitation which is perpendicularly polarized with respect to the NW axis (ˆc). Also, the preliminary study with an external magnetic field oriented perpendicularly to the ˆc crystal axis suggests that the obtained results are strongly affected by the local potential fluctuations in the NW, and can’t be satisfactorily explained using the existent model. In the second part of this thesis, we studied the light-matter interaction in a strong coupling regime. We observed that the decay of exciton-polariton generates radiation with laser radiation properties, which therefore induces nonlinear effects in the ZB GaAs single quantum well (SQW). This emission was characterized and from the measurements of polarization- and pump power-resolved PL, we assessed the second harmonic generation from GaAs SQW. Finally, we concluded that the SHG efficiency is dependent on the detuning between exciton energy and cavity mode energy, revealing a significant increase in the exciton-polariton condensation condition.
Subject: Nanofios
Poços quânticos
Espectroscopia de Raman
Fotoluminescência
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE FÍSICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Física
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/42103
Issue Date: 24-Aug-2021
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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