Contactless electroreflectance (CER), a modulation spectroscopy (MS) technique, has been used to study the A and C exciton transitions in A1xGa1-xN layers for a composition range of 0 ≤ x ≤ 0.48 at room temperature. Taking the entire composition range (0 ≤ x ≤ 1) into account by incorporating a previously reported band gap energy for AlN, the dependence of the A-exciton transition on composition showed a downward bowing from linearity. A bowing parameter of b = 1.7 eV was found. Analysis of the lower composition range 0 ≤ x ≤ 0.48 resulted in a linear fit, as did the trend for the detectable C exciton transitions. The slope of the linear trendlines for the A and C exciton were practically the same.

Les polaritons de cavité sont des quasi-particules, partiellement matière-t partiellement lumière, crées lors du couplage fort d'un exciton et d’un photon de cavité. A une certaine température et densité de particules, les polaritons de cavité peuvent subir une transition de phase de type quasi-Bose-Einstein et condenser dans l'état de plus basse énergie du système; dans ces conditions, la cavité émet de la lumière cohérente et le dispositif associé est appelé laser à polaritons. ZnO est l'un des matériaux les plus adaptés pour la fabrication des lasers à polaritons fonctionnant à température ambiante, en raison de ses excellentes propriétés excitoniques. Cependant, des difficultés techniques ont empêché la réalisation de microcavités à base de ZnO pendant longtemps. Dans cette thèse nous présentons la fabrication de microcavités à base de ZnO par deux approches différentes, ce qui a permis de surmonter les difficultés technologiques existantes et ont permis d'obtenir des figures de mérite avec des valeurs records (pour le facteur de qualité ainsi que pour l’éclatement de de Rabi). Des lasers à polaritons fonctionnant à température ambiante ont été démontré dans les deux cas. Dans la microcavité entièrement hybride, des condensats de polaritons ont été étudiés dans une gamme de désaccord exciton-photon sans précédents, et de basse température à température ambiante; ceci a permis d'obtenir, pour la première fois, un diagramme de phases complet. Cette thèse ouvre la voie à une polaritonique appliquée fonctionnant à température ambiante. / Cavity polaritons are quasi-particles, partially light partially matter, resulting from the strong-coupling of an exciton and a cavity photon. At a certain temperature and particle density, cavity polaritons can go through a quasi-Bose-Einstein phase transition and condense at the lowest energy state of the system; in this situation the cavity emits coherent light and the associated device is termed polariton laser. ZnO is one of the most adapted materials for fabricating room temperature polariton lasers, due to its excellent excitonic properties. However, technical difficulties have been preventing the achievement of ideal ZnO microcavities for a long time. In this thesis we report the fabrication of high quality ZnO microcavities with two different approaches, which overcome the existing technical challenges and allow to achieve a record cavity quality factor and large Rabi splittings. Room temperature polariton lasing has been demonstrated in both cases. In a fully-hybrid ZnO microcavity, polariton condensates were studied within an unprecedented range of exciton-photon detunings, and from low to room temperature. This tunability has enabled to obtain, for the first time, a complete condensation phase diagram for ZnO-based microcavities, wherein the exciton fraction of the polaritons has been tuned between 17% to 96%, corresponding to a modification of the exciton-polariton mass, its lifetime and its interaction constant by 1 order of magnitude. This thesis paves the way for implementing a polariton-based technology operating at room-temperature.

Les pérovskites hybrides organiques-inorganiques ont attiré l'attention en raison de leurs applications potentielles dans des dispositifs optiques et plus récemment dans les dispositifs photovoltaïques. L'arrangement cristallin des pérovskites forme une structure en multi-puits quantiques dans laquelle les états excitoniques présentent une grande force d'oscillateur et une énergie de liaison importante, ce qui rend la réalisation de microcavités dans le régime de couplage fort possible à la température ambiante. Etant un matériau relativement nouveau, les pérovskites ont encore beaucoup de comportements qui ne sont pas bien compris et beaucoup de travail de recherche est nécessaire. Ce manuscrit est divisé en deux parties. Dans la première partie, la dynamique des excitons sur une pérovskite particulière (C6H5-C2H4-NH3)2PbI4 (PEPI) est étudiée à température ambiante par mesure de type pompe-sonde sous faible et fort régime d'excitation. Sous forte densité d'excitation, un processus de recombinaison Auger des excitons est présent. Une relaxation intrabande ultra-rapide a été observée. La deuxième partie du manuscrit est consacrée à l'étude de la microphotoluminescence à temperature ambiante de microcavités à base de PEPI à haut facteur de qualité. Des nouvelles pérovskites avec des propriétés optimisées (propriétés optiques d'émission, rugosité de surface et photostabilité) ont également été synthétisées. / The reason for choosing this thesis comes from the fact that in the near future,I would like to gain more knowledge and experience in scientific research and especially in the study of non linear effects in optical microcavities where new opportunities are opened and high efficient light sources could be exploited.In last ten years, an increasing number of studies are dedicated on hybrid organic-inorganic materials, due to the possibility of combining the properties both of inorganic(high mobility, electrical pumping, band engineering ) and of organic materials (low cost technology, high luminescence quantum yield at room temperature).In this context , organic-inorganic perovskites having a chemical formula (R-NH3)2MX4 where M is a metal, X halogen and R an organic chains presents a natural hybrid system . When deposited by spin coating, the molecules self-organize to form a multiple quantum wells structure. Because of the strong binding energy, optical features can be seen at room temperature. Moreover, such pervoskite presents great flexibility in their optical properties such that the spectral position of the excitonic transitions can be tailored by substituting different halides X, and the photoluminescence efficiency can be tailored by changing the organic part R. This kind of perovskites has been studied both for fundamental studies and for applications in optoelectronics. In order to increase the coupling between light and matter (exciton), perovskite has been inserted in planar microcavity and strong coupling regime has been achieved at room temperature. The strong coupling of light with exciton give rise to polariton quasi-particles, which have new properties not seen in either photons or excitons. In order to go further and have better study in stimulated scattering of polaritons in these microcavities ,a better understanding of the electronic structure as well as the excitonic interactions in these quantum wells are necessary due to the lack of information on the dynamic and on the carrier interaction of these structures. In order to study the hybrid polaritons, it will be first necessary to improve the knowledge about the relaxation in the perovskite layers. So, ultrafast pump-probe experiments will be performed on hybrid microcavities, and also on perovskite layers.

Two-dimensional materials such as graphene, boron nitride and transition metal dichalcogenides have attracted significant research interest due to their unique optoelectronic properties. Transition metal dichalcogenides (TMDCs) are a family of two-dimensional semiconductors which exhibit strong light-matter interaction and show great promise for applications ranging from more efficient LEDs to quantum computing. One of the most intriguing qualities of TMDCs is their ability to be stacked on top of one another to tailor devices with specific properties and exploit interlayer phenomena to develop new characteristics. One such interlayer interaction is the generation of charge transfer excitons which span the interface between two different TMDC monolayers. This work aims to study the intrinsic optical properties of charge transfer excitons in TMDC heterostructures. We must first start by investigating methods to protect and isolate our sample of interest from its chemical and electrostatic environment. We demonstrate that near intrinsic photoluminescence (PL) linewidth and exciton emission homogeneity from monolayer TMDCs can be achieved using a combination of BN encapsulation and passivation of substrate hydroxyl groups. Next, we develop clean stacking techniques and incorporate low defect density source crystals to maintain intrinsic properties and ensure a sufficiently high quality heterostructure interface to study characteristics of charge transfer excitons in 2D TDMCs. Strong photoluminescence emission from charge transfer excitons is realized and is shown to persist to room temperature. Charge transfer exciton lifetime is measured to be two orders of magnitude longer than previously reported. Using these high quality heterostructures, we study the behavior of charge transfer excitons under high excitation density. We observe the dissociation of charge transfer excitons into spatially separated electron-hole plasmas under optical excitation. We then probe properties of charge transfer exciton emission enhancement due resonant coupling to surface plasmon modes of gold nanorods.

As organic semiconductors gain more importance for application, research into their properties has become necessary. This work investigated the exciton and charge transport properties of organic semiconducting crystals. Based on a hopping approach, protocols have been developed for the calculation of Charge mobilities and singlet exciton diffusion coefficients. The protocols do not require any input from experimental data except for the x-ray crystal structure, since all needed quantities can be taken from high-level quantum chemical calculations. Hence, they allow to predict the transport properties of yet unknown compounds for given packings, which is important for a rational design of new materials. Different thermally activated hopping models based on time-dependent perturbation theory were studied for the charge and exciton transport; i. e. the spectral overlap approach, the Marcus theory, and the Levich-Jortner theory. Their derivations were presented coherently in order to emphasize the different levels of approximations and their respective prerequisites. A short reference was made to the empirical Miller-Abrahams hopping rate. Rate equation approaches to calculate the stationary charge carrier mobilities and exciton diffusion coefficients have been developed, which are based on the master equation. The rate equation approach is faster and more efficient than the frequently used Monte Carlo method and, therefore, provides the possibility to study the anisotropy of the transport parameters and their three-dimensional representation in the crystal. The Marcus theory, originally derived for outer sphere electron transfer in solvents, had already been well established for charge transport in organic solids. It was shown that this theory fits even better for excitons than for charges compared with the experiment. The Levich-Jortner theory strongly overestimates the charge carrier mobilities and the results deviate even stronger from the experiment than those obtained with the Marcus theory. The latter contains larger approximations by treating all vibrational modes classically. The spectral overlap approach in combination with the developed rate equations leads to even quantitatively very good results for exciton diffusion lengths compared to experiment. This approach and the appendant rate equations have also been adapted to charge transport. The Einstein relation, which relates the diffusion coefficient with the mobility, is important for the rate equations, which have been developed here for transport in organic crystals. It has been argued that this relation does not hold in disordered organic materials. This was analyzed within the Framework of the Gaussian disorder model and the Miller-Abrahams hopping rate. / Organische Halbleiter gewinnen immer größere Bedeutung für Anwendungen in der Elektronik. In dieser Arbeit wurden deren Eigenschaften bezüglich des Exzitonen- und Ladungstransports untersucht. Diese beiden Prozesse sind wesentlich für viele Bauteile der organischen Elektronik, wie zum Beispiel Solarzellen. Ausgehend von einem Sprungmodell wurden Verfahren zur Berechnung von Ladungsträgerbeweglichkeiten und Diffusionskoeffizienten von Singulettanregungen entwickelt, wofür bis auf die Röntgenstruktur des Kristalls keine weiteren experimentellen Daten benötigt werden, da alle notwendigen Größen durch quantenchemische Rechnungen auf hohem Niveau bestimmt werden können. Dies ermöglicht die Vorhersage der Transporteigenschaften von noch unbekannten Materialien mit bekannter Struktur, was eine Voraussetzung für das Maßschneidern neuer Materialien darstellt. Verschiedene, auf der zeitabhängigen Störungstheorie basierende thermisch aktivierte Sprungmodelle - der spektrale Überlappungsansatz, die Marcus- und die Levich-Jortner-Theorie - wurden für die Anwendung auf den Ladungs- und Energietransport hin untersucht. Ausgehend von Fermis Goldener Regel wurden die Sprunggleichungen konsistent hergeleitet, um die verschiedenen Abstufungen der jeweils vorgenommenen Näherungen und deren Voraussetzungen deutlich zu machen. Zusätzlich dazu wurde ein kurzer Exkurs zur empirischen Miller-Abrahams-Sprungrate und deren Anwendung in amorphen Systemen gemacht. Unter Verwendung der Mastergleichung wurden Ratengleichungsansätze zur Berechnung der stationären Ladungsträgerbeweglichkeiten und Exzitonendiffusionskoeffizienten entwickelt. Die Berechnung der Transportgrößen über Ratengleichungen ist wesentlich schneller und effizienter als die häufig angewendete Monte-Carlo-Simulation. Dies ermöglicht die Analyse der Anisotropie des Transports im Kristall und ihre dreidimensionale Darstellung. Die Marcustheorie, die ursprünglich für Elektronentransfer in Lösungen entwickelt wurde, hat sich auch für Ladungstransport in organischen Festkörpern bewährt. Hier wurde diese Theorie auch auf Exzitonentransport übertragen und gezeigt, daß sie im Vergleich zum Experiment für Exzitonen sogar bessere Ergebnisse liefert als für Ladungsträger. Die Levich-Jortner-Theorie überschätzt die Ladungsträgerbeweglichkeiten im Falle der Acene sehr stark. Ihre Ergebnisse weichen sogar stärker vom Experiment ab als die der Marcustheorie. Letztere enthält deutlich stärkere Näherungen, weil alle Molekülschwingungen klassisch behandelt werden. Der spektrale Überlappungsansatz führt zusammen mit den hier entwickelten Ratengleichungen sogar zu quantitativ guten Ergebnissen für die Exzitonendiffusion. Dieser Ansatz und die Ratengleichungen wurden auch für die Berechnung der Ladungsträgerbeweglichkeiten angepaßt. Für die in dieser Arbeit entwickelten Ratengleichungen ist die Einsteinrelation, welche die Diffusion mit der Drift in Beziehung setzt, von zentraler Bedeutung. Es ist umstritten, ob diese Beziehung auch in amorphen, ungeordneten Materialien gültig ist. Dieser Frage wurde im Rahmen des Gaußschen Unordnungsmodells und der Miller-Abrahams-Sprungrate nachgegangen.

acase@tulane.edu

Ce travail de thèse porte sur l'étude des excitations élémentaires de la matière dans des nanoparticules de ZnO: phonons et excitons.<br /> Nous montrons que les modes de vibration permettent d'illustrer des effets de surface, lesquels sont de deux types. Premièrement vient la réduction de la taille. L'élasticité linéaire ne décrit plus correctement les modes propres acoustiques pour des tailles inférieures à 2.5 nm. Les expériences que nous avons menées sont en accord avec ce point. Deuxièmement, nous montrons que les ligands qui habillent les nanoparticules sont préférentiellement localisés sur la surface latérale de ces dernières; et qu'ils étirent légèrement la maille cristalline de ZnO.<br /> Concernant les propriétés excitoniques, l'exciton est piégé à la surface des nanoparticules. En outre, de part la dynamique de recombinaison très rapide, le processus de recombinaison de l'exciton est dominé par des mécanismes non-radiatifs.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des propriétés extrinsèques et intrinsèques d'échantillons de GaN massif autosupporté ou épitaxié sur saphir, avec des techniques classiques de spectroscopie (réflectivité et photoluminescence) ainsi qu'avec une technique de réflectivité résolue en temps à l'échelle de la femtoseconde. L'élargissement d'un exciton et sa force d'oscillateur sont difficiles à déterminer de façon indépendante et la simulation des spectres de réflectivité continue ne permet pas de les déterminer avec précision. Les spectres d'autocorrélation enregistrés avec la réflectivité résolue en temps présentent des battements dus à l'excitation simultanée des excitons Xa et Xb ayant des énergies voisines. L'amplitude de ces battements dépend des forces d'oscillateur et leur décroissance en fonction du temps dépend des élargissements des excitons. L'analyse combinée des deux types de réflectivité a permis la détermination précise de ces paramètres en utilisant un modèle distinguant l'élargissement homogène dépendant de la température et inhomogène lié à la qualité cristalline de l'échantillon.

La technique originale de spectroscopie par saturation d'absorption, dite holeburning spectral, est mise en oeuvre pour étudier l'élargissement homogène de transitions optiques à 1,55 μm dans deux types de nanostructures. Pour les boîtes quantiques GaN/AlN, notre expérience constitue la première mesure directe de la largeur homogène de la transition intrabande s − pz. Des études en puissance démontrent le rôle prédominant des processus Auger dans la relaxation de population des niveaux. Le profil spectral d'absorption homogène s'avère gaussien. La forte augmentation de la largeur homogène entre 5K et 30K suggère des mécanismes de décohérence autres que le couplage aux phonons acoustiques, comme la diffusion spectrale. Dans le cas des nanotubes de carbone, notre dispositif expérimental permet d'étudier finement l'évolution du spectre d'absorption homogène de la transition électronique fondamentale sur une large gamme de puissance et pour des températures allant de 5K à 300 K. Les études en puissance mettent en évidence quantitativement la contribution prédominante de l'élargissement collisionnel et la contribution marginale de la réduction de force d'oscillateur au signal nonlinéaire. Deux processus d'interaction à deux excitons sont analysés : l'annihilation exciton-exciton (EEA) et la diffusion exciton-exciton (EES), et nous révélons la nature hybride Wannier-Frenkel particulière des excitons dans les nanotubes de carbone. Finalement, nous étudions le déphasage assisté par phonons et nous mettons en évidence les caractéristiques du couplage exciton-phonon, liées au caractère unidimensionnel.

This thesis focuses on pioneering a scalable route to fabricate quantum information devices based upon single InAs/InP quantum dots emitting in the telecommunications wavelength band around 1550 nm. Using metallic gates in combination with nanotemplate, site-selective epitaxy techniques, arrays of single quantum dots are produced and electrostatically tuned with a high degree of control over the electrical and optical properties of each individual quantum dot. Using metallic gates to apply local electric fields, the number of electrons within each quantum dot can be tuned and the nature of the optical recombination process controlled. Four electrostatic gates mounted along the sides of a square-based, pyramidal nanotemplate in combination with a flat metallic gate on the back of the InP substrate allow the application of electric fields in any direction across a single quantum dot. Using lateral fields provided by the metallic gates on the sidewalls of the pyramid and a vertical electric field able to control the charge state of the quantum dot, the exchange splitting of the exciton, trion and biexciton are measured as a function of gate voltage. A quadrupole electric field configuration is predicted to symmetrize the product of electron and hole wavefunctions within the dot, producing two degenerate exciton states from the two possible optical decay pathways of the biexciton. Building upon these capabilities, the anisotropic exchange splitting between the exciton states within the biexciton cascade is shown to be reversibly tuned through zero for the first time. We show direct control over the electron and hole wavefunction symmetry, thus enabling the entanglement of emitted photon pairs in asymmetric quantum dots. Optical spectroscopy of single InAs/InP quantum dots atop pyramidal nanotemplates in magnetic fields up to 28T is used to examine the dispersion of the s, p and d shell states. The g-factor and diamagnetic shift of the exciton and charged exciton states from over thirty single quantum dots are calculated from the spectra. The g-factor shows a generally linear dependence on dot emission energy, in agreement with previous work on this subject. A positive linear correlation between diamagnetic coefficient and g-factor is observed.