In meiner Arbeit werden die Auswirkungen von Vielteilcheneffekten in einem niedrigdimensionalen Adsorbatsystem untersucht. Ein solches System kann als einfaches Modellsystem zum Verständnis der Vielteilcheneffekte dienen. Mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie und Rastertunnelspektroskopie kann die Lebensdauer der Quasiteilchen direkt gemessen werden. An quasi-nulldimensionalen Quantenpunkten lässt sich außerdem der Einfluss der Dimensionalität und der Strukturgröße auf die Korrelationseffekte und Kopplungsstärken der Elektronen messen. Das Adsorbatsystem Stickstoff auf Kupfer (Cu(100)c(2x2)N) ist hierfür ideal geeignet. Bei der Adsorption von Stickstoff auf Cu(100) bilden sich auf Grund starker Verspannungen durch die inkommensurate c(2x2)-Bedeckung Stickstoff-Inseln mit einer typischen Größe von 5x5 nm². Auf diesen quasi-nulldimensionalen Quantenpunkten lässt sich lokal mit der Rastertunnelspektroskopie die elektronische Zustandsdichte messen. In den STS-Spektren und Bildern sind typische diskrete Eigenzustände eines Quantentrogs zu beobachten. Mit einem Modell gedämpfter, quasifreier Elektronen ist es gelungen, diese Eigenzustände zu simulieren und wichtige physikalische Größen, wie die effektive Masse, die Bindungsenergie und die mittlere Lebensdauer der Elektronen in den Inseln zu bestimmen. Mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie können zahlreiche adsorbatinduzierte Zustände identifiziert und die zweidimensionale Bandstruktur des Adsorbatsystems gemessen werden. Die Elektron-Phonon-Kopplung spielt in dem Stickstoff-Adsorbatsystem eine wichtige Rolle: Temperaturabhängige Messungen der zweidimensionalen Zustände lassen auf eine sehr starke Kopplung schließen mit Werten bis zu 1,4 für die Kopplungskonstante. Dabei ist die Kopplungsstärke wesentlich von der Lokalisierung der Adsorbatzustände abhängig. In der Nähe der Fermikante zeigt ein Adsorbatzustand eine außergewöhnliche Linienform. Die Spektralfunktion kann selbst bei recht hohen Temperaturen von 150 K mit dem Realteil der Selbstenergie der Elektron-Phonon-Kopplung beschrieben werden. Für die Phononenzustandsdichte wird dabei das Einstein-Modell verwendet auf Grund des dominierenden Anteils der adsorbatinduzierten optischen Phononen. Die Kopplungsstärke und der Beitrag der Elektron-Elektron und Elektron-Defekt-Streuung werden aus diesen Daten extrahiert. Auf Grund der sehr starken Elektron-Phonon-Kopplung könnte man spekulieren, ob sich in der Oberfläche Cooper-Paare bilden, deren Anziehung über ein optisches Adsorbatphonon vermittelt würde, und so eine exotische Oberflächen-Supraleitung verursachen. / In my thesis the influence of many body effects on a low dimensional adsorbate system is studied. The adsorbate system provides as a modell system for the understanding of these many body effects. With photoelectron spectroscopy and scanning tunneling spectroscopy the lifetime of these quasi particles can be measured directly. For quasi zero dimensional quantum dots the influence of the dimensionality and the size of the structures to correlation effects and coupling constants of the electrons can be measured. The adsorbate system nitrogen on copper (Cu(100)c(2x2)N) is an ideal modell system for such studies. During the adsorption of nitrogen on Cu(100) nitrogen islands are formed with a typical size of 5x5 nm² due to the incommensurate c(2x2)structure and strain relief mechanism. Using scanning tunneling spectroscopy one is able to measure locally on a single island, a quasi-zero dimensional quantum dot. In STS-spectra quantum well states are observed with typical discrete eigen-states. A model is used to simulate these eigen-states and extract important physical parameters like the effective mass, the binding energy and the mean lifetime of the electronic states inside the islands. The photoelectron spectroscopy reveals several adsorbate induced states. The two dimensional bandstructure of the nitrogen adsorbate system has been measured. Electron phonon coupling plays a key role in these two dimensional states. Temperature dependent measurements reveal a very strong coupling with values up to 1,4 for the coupling constant. The coupling constant is very sensitive to the localization of the adsorbate states. One of the adsorbate induced states shows an exceptional line shape when approaching the Fermi energy: the spectral function can be described by the real part of the electron phonon self energy even at quite high temperatures (150 K). The Einstein model is used to describe the phonon density of states because of the dominant role of adsorbate induced optical phonons. The coupling constant and the contributions of the electron-electron and electron-defect scattering are deduced. Due to the very strong electron phonon coupling in the adsorbate system one may speculate about an exotic surface superconductivity, where the Cooper pairs might be confined to the surface and their attraction might be mediated by the adsorbate optical phonons.

Investigamos os efeitos de tamanho e do potencial de confinamento finito V0 nas taxas de espalhamento de absorção e de emissão de elétrons interagindo com os fônons longitudinais ópticos (fônons LO) de um fio quântico cilíndrico de GaAs à temperatura ambiente. Calculamos as taxas de espalhamento inter e intra-sub-banda e a taxa de espalhamento total para uma temperatura de 300 K, pois nesta temperatura o mecanismo de espalhamento dominante em semicondutores do tipo III-V é aquele devido aos fônons LO. Qualitativamente a taxa de emissão intra-sub-banda neste sistema tem o mesmo comportamento da sua correspondente em estruturas 2D. Para a absorção encontramos uma mudança suave de comportamento da taxa de absorção intra-sub-banda quando o raio do fio é da ordem do diâmetro do polaron (ou seja, da ordem de 80 ANGSTROM). Para raios pequenos ela tem um comportamento similar ao do bulk, mas para raios maiores ela cresce até atingir um máximo e depois cai monotonicamente à medida que aumentamos a energia do portador. Vimos que, o tamanho do fio e o potencial de confinamento têm grande influência na taxa de espalhamento total. / We investigated the size effects and the effects of the finite confining potential V0 on the absorption and emission scattering rates of electron interacting with longitudinal optical (LO) phonons for a cylindrical GaAs quantum wire. We calculated the inter and intrasubband total scattering rate for a temperature of 300K, because in this temperature the dominant mechanism of scattering in semiconductors III-V is that due LO phonons. Qualitatively the intrasubband emission scattering rate in this system has the same behavior of the correspondent in 2D structures. For absorption we found a smooth change in the intrasubband absorption scattering rate behavior when the radius the wire is near the polaron diameter (ie, about 80 ANGSTROM). For small radius the scattering rate has a similar behavior as that of the bulk, but for large radius it increases until reach a maximum and after ir drops monotonicaly with increase of carrier energy. We found that the size effect and the confining potential have a large influence in the total scattering rate

In this thesis, I explore dissipative quantum dynamics of several prototypical model systems via various approaches, ranging from approximate to numerically exact schemes. In particular, in the realm of the approximate I explore the accuracy of Padé–resummed master equations and the fewest switches surface hopping (FSSH) algorithm for the spin–boson model, and non-crossing approximations (NCA) for the Anderson–Holstein model. Next, I develop new and exact Monte Carlo approaches and test them on the spin–boson model. I propose well–defined criteria for assessing the accuracy of Padé-resummed quantum master equations, which correctly demarcate the regions of parameter space where the Padé approximation is reliable. I continue the investigation of spin–boson dynamics by benchmark comparisons of the semiclassical FSSH algorithm to exact dynamics over a wide range of parameters. Despite small deviations from golden-rule scaling in the Marcus regime, standard surface hopping algorithm is found to be accurate over a large portion of parameter space. The inclusion of decoherence corrections via the augmented FSSH algorithm improves the accuracy of dynamical behavior compared to exact simulations, but the effects are generally not dramatic for the cases I consider. Next, I introduce new methods for numerically exact real-time simulation based on real-time diagrammatic Quantum Monte Carlo (dQMC) and the inchworm algorithm. These methods optimally recycle Monte Carlo information from earlier times to greatly suppress the dynamical sign problem. In the context of the spin–boson model, I formulate the inchworm expansion in two distinct ways: the first with respect to an expansion in the system–bath coupling and the second as an expansion in the diabatic coupling. In addition, a cumulant version of the inchworm Monte Carlo method is motivated by the latter expansion, which allows for further suppression of the growth of the sign error. I provide a comprehensive comparison of the performance of the inchworm Monte Carlo algorithms to other exact methodologies as well as a discussion of the relative advantages and disadvantages of each. Finally, I investigate the dynamical interplay between the electron–electron interaction and the electron–phonon coupling within the Anderson–Holstein model via two complementary NCAs: the first is constructed around the weak-coupling limit and the second around the polaron limit. The influence of phonons on spectral and transport properties is explored in equilibrium, for non-equilibrium steady state and for transient dynamics after a quench. I find the two NCAs disagree in nontrivial ways, indicating that more reliable approaches to the problem are needed. The complementary frameworks used here pave the way for numerically exact methods based on inchworm dQMC algorithms capable of treating open systems simultaneously coupled to multiple fermionic and bosonic baths.

Sustainable and renewable energy is an incredibly important area in today’s society and investigation into avenues to improve this wide ranging technology are underway in many different fields. Thermoelectric devices possess the ability for the direct solid-state interconversion of heat and electrical power, which not only allows for sustainable refrigeration but also waste heat recovery. One current restriction on the efficiency of thermoelectric devices is the disparity in thermoelectric performance of p-type and n-type materials. Furthermore, a key physical attribute shared by the majority of high performing thermoelectric materials is low thermal conductivity. Thus in this thesis three separate p-type material systems exhibiting low thermal conductivity will be discussed. The Cu-excessed quaternary chalcogenides, CuM2InTe4 (M = Zn, Cd), and ternary chalcogenide, CuSbS2, were investigated due to their intrinsically low thermal conductivity. Whereas, skutterudites typically have good electrical properties but do not exhibit an intrinsically low thermal conductivity. Nevertheless low thermal conductivity can be achieved by taking advantage of their unique crystal structure by filling large voids with loosely bound atoms that act as phonon scattering centers. Therefore double-filled Fe substituted skutterudites with nominal compositions Yb0.4In0.02Co3FeSb12 and Yb0.8In0.02Co2.5Fe1.5Sb12 were also investigated. The CuM2InTe4 (M = Zn, Cd) and skutterudite specimens were synthesized by direct reactions, whereas the CuSbS2 specimens were synthesized by mechanical alloying. Structural and stoichiometric compositions were analyzed by a combination of X-ray diffraction, Rietveld refinement and energy dispersive spectroscopy. High-temperature transport properties were measured for all specimens and will be discussed in detail. The Cu-excessed quaternary chalcogenides display intrinsically low thermal conductivity that appears to be unaffected by the change in electrical properties that is a result of differing stoichiometries. This may provide a possible route to furthering the enhancement of the thermoelectric properties of these materials. Similarly the CuSbS2 ternary chalcogenides display a very low thermal conductivity due to stereochemically active lone-pair electrons and would potentially allow an optimization of the power factor without a significant increase of the very low thermal conductivity, thus improving the figure of merit. For the case of p-type skutterudites, (Yb, In) double-filled skutterudites have a maximum ZT of 0.6, which is promising in the hunt for improved p-type materials. This fundamental investigation provides insight that can lead to a deeper understanding of all three material systems outlined in this thesis and provides a platform for new research in the quest for materials suitable for thermoelectric applications.

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.

Spin and charge density fluctuations are important excitations in the strongly correlated systems, especially in the recently discovered high temperature superconductors. Several different theories on high temperature superconductors have been proposed based on spin fluctuations. However, experiments have also shown the existence of strong charge fluctuations. It is, therefore, desirable to investigate the physical consequences of the coexistence of strong spin and charge density fluctuations. As a first step toward a full understanding of both spin and charge excitations, a self-consistent theory is established. In this self-consistent theory, there are three important quantities, the spin susceptibility, the charge susceptibility, and the phonon Green's function. These three quantities are coupled together by the electron-phonon and phonon-spin fluctuation interactions. The phonon-spin fluctuation interaction is derived by making use of the spin-orbital coupling. For a strongly correlated system, the spin and charge density excitations have to be considered self-consistently. They are intimately related. The effects of antiparamagnons on phonons are also investigated. Antiparamagnons can have dramatic effects on phononic properties. It is found that new modes are formed in the presence of antiferromagnetic spin fluctuations. The de Haas-van Alphen effect in marginal and nearly antiferromagnetic Fermi liquids is studied. It is found that the de Haas-van Alphen frequency is unaffected by the anomalous response functions of the marginal and nearly antiferromagnetic Fermi liquids due to the absence of real parts of self-energies on the imaginary frequency axis. / Graduation date: 1993

The thesis investigates hot carrier relaxation and carrier recombination mechanism of a InN thin film grown on LAO(LiAlO2) substrate with a ultrafast time-resolved photoluminescence apparatus. Carriers were excited with laser pulses of energy 1.5 eV and of pulsewidth 150 fs from a Ti:sapphire laser. The photoexcited carriers relax excessive energy mostly within 10 ps thorough carrier-LO-phonon interaction. The effective carrier-LO-phonon emission times were estimated 197 to 58 fs in the temperature range from 250 to 35 K. The Shockley-Read-Hall coefficient was found around 0.8 ns-1. The Auger recombination was trivial at 35 K and become significant at 250 K. The fitted radiative recombination was much smaller than the theoretical estimate. Both effective carrier-LO-phonon scattering times and the radiative and nonradiative decay rates of the studied m-plane InN were found to be smaller than those of c-plane InN in other reports.

The purpose of this thesis is to find out carrier concentration in nitride semiconductors by micro Raman measurements. We focus on the Raman measurements of two different III-nitride semiconductors doped with Si. First series is narrow band gap InN films with varying carrier concentration (ne). The highest (ne) in this series is 1.9 X 1019 cm-3. The second series is wide band gap GaN films, with highest (ne) of 8.0 X 1019 cm-3.From the room temperature Ramam measurements ,it is observed that the L- LOPCM (lower branch of longitudinal-optical phonon-plasmon coupled modes) depends on the carrier concentration. We focus the further analysis of this result and try to extract the carrier concentration and compare with electrical measurements.

Ce mémoire de « Habilitation à Diriger des Recherches » est divisé en deux parties. <br /><br /> La partie I est composée de trois chapitres. Les deux premiers traitent des interactions entre porteurs et vibrations du réseau. Le troisième est consacré aux états électroniques non-liés des boîtes quantiques. <br />Le premier chapitre de la première partie (I-1) présente une description générale de l'interaction électron-phonon dans les semiconducteurs, du massif aux boîtes quantiques. L'étude des interactions entre porteurs et vibrations du réseau a grandement bénéficié des importantes avancées dans les domaines de l'élaboration de matériaux nanostructurés et des techniques d'analyse spectroscopiques. L'accès à la structure fine des transitions optiques (par exemple, par des techniques de sonde locale à haute résolution spectrale et/ou temporelle) a permis la mise en évidence de différents effets liés aux couplages électron-phonons. Ainsi, les ailes de phonons acoustiques d'une paire radiative confinée dans une boîte quantique ont été observées dans différents types de boîtes quantiques. De même, l'existence d'un fort couplage entre les porteurs confinés et les vibrations optiques est désormais bien établie. Finalement, les processus de diffusion des porteurs par les phonons, omniprésents en physique des semiconducteurs massifs, est encore aujourd'hui au centre de nombreuses études expérimentales et théoriques dans les nanostructures. Le chapitre 1 présente donc une revue de ces différents aspects du couplage entre porteurs et phonons : leur description et leurs conséquences optiques. Il faut noter que le matériel de ce chapitre ne correspond pas à une contribution personnelle de « recherche » dans le domaine, mais plutôt à un souci pédagogique de présentation, d'une manière unifiée, des différentes facettes de l'interaction électron-phonon dans les boîtes quantiques auto-organisées <br />Le deuxième chapitre de la première partie présente une discussion détaillée des états polarons (première partie du chapitre : I-2A) et de la relaxation en énergie (deuxième partie du chapitre : I-2B) dans les boîtes quantiques auto-organisées de semiconducteurs. Ces états correspondent aux véritables excitations élémentaires des boîtes quantiques auto-assemblées. En effet, la description d'ordre zéro en termes d'états découplés électrons-phonons devient inappropriée en présence d'un fort couplage entre les porteurs confinés et les vibrations du réseau. On n'a pas fini d'explorer toutes les conséquences de ce couplage fort, encore aujourd'hui au centre de nombreuses études théoriques et expérimentales. Parmi les champs actuels d'investigations dans ce domaine, il faut citer :<br />(i) l'étude de la dynamique (linéaire) de relaxation de l'énergie des états excités d'une boîte quantique, mettant en jeu des processus intrinsèquement liés aux états mixtes de polarons (comme la désintégration par couplage anharmonique ; voir deuxième partie du chapitre) ;<br />(ii) les mises en évidence de couplage polaron pour les transitions optiques des boîtes quantiques chargées avec un trou (domaine FIR) ou intrinsèques (en optique interbande) ;<br />(iii) les études récentes de la dynamique non-linéaire (sous excitation FIR intense) des transitions polarons des boîtes;<br />(iv) l'observation d'un effet polaron pour les boîtes doublement chargées.<br /><br />Le chapitre trois de la première partie (I-3) est un article de revue sur les états non-liés des boîtes quantiques de semiconducteurs. La plupart des études sur les boîtes quantiques sont focalisées sur la partie basse énergie du spectre (états liés). Le spectre continu joue toutefois un rôle de premier plan dans beaucoup de situations : par exemple, ce sont les états finals pour les processus d'ionisation des boîtes dopées, ou les états initials pour les processus de capture (chargement des boîtes). Ces processus d'ionisation et (re)-capture se trouvent au sein même du fonctionnement de différents dispositifs, comme les détecteurs et lasers à base de boîtes quantiques. De même, ils jouent un rôle décisif dans les transitions optiques inter-bandes, à cause des transitions « croisées », c'est-à-dire, faisant intervenir des états liés d'une bande avec des états du continuum de l'autre. Pourtant, peu de travaux ont été consacrés à l'analyse de ces états. Une bonne partie du travail discuté dans ce chapitre est le résultat d'une longue étude, initiée au LPA il y a maintenant une petite dizaine d'années avec les premières études des mécanismes de capture assistée par les phonons et de relaxation Auger intra-boîte, poursuivie par le travail d'A. Vasanelli sur le fond spectral d'absorption inter-bandes, et consolidée par les récentes simulations numériques de N. D. Phuong et N. Regnault de la magnéto-absorption de différentes structures à boîtes quantiques pour la photo détection IR. Comme souligné à la fin de ce chapitre, les états non-liés jouent un rôle important dans bien d'autres situations physiques, comme pour les états « liés » excités à plusieurs particules. Ces voies de recherche, plus récentes, sont encore à leurs commencements.