Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2016-10-14T12:48:52Z No. of bitstreams: 1 TeseVLON.pdf: 12327358 bytes, checksum: 6fe55d85e4aff3ba5318f9671501f27c (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-21T13:10:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseVLON.pdf: 12327358 bytes, checksum: 6fe55d85e4aff3ba5318f9671501f27c (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-21T13:10:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseVLON.pdf: 12327358 bytes, checksum: 6fe55d85e4aff3ba5318f9671501f27c (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-21T13:10:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseVLON.pdf: 12327358 bytes, checksum: 6fe55d85e4aff3ba5318f9671501f27c (MD5) Previous issue date: 2016-03-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / In this thesis, the electronic and structural properties of nanostructured systems were studied aiming to get a realistic model for quantum rings, potentially adaptable for quantum dots. To attain these goals, several studies supported by experimental results were carried out that allowed the introduction to the building blocks for the theoretical models such as: the envelope function approach within the k.p approximation in quantum wells, and quantum ring/dot with perpendicular magnetic field and without spin-orbit interaction. In these models, the effects of size, strain and localization were subsequently introduced to understand the ring formation process and their effects in the photoluminescence and magneto-photoluminescence. The experimental results of atomic force microscopy indicated the importance of structural properties and the types of asymmetries possibly found in quantum rings after the growth process. The understanding of these effects and the evidence of the anisotropy in a preferential direction of the ring helped building more realistic models for the potential profiles. Various systems were then studied with success. They also included a controllably magnetic field (both in magnitude and orientation), beside the geometric deformation, making the ring ellipsoidal, and taking into account the spin-orbit interaction. The most realistic model was used to analyze the Berry phase generation and the relative weight of the contribution of each term of the Hamiltonian. / Nesta tese de doutorado, as propriedades eletrônicas e estruturais de sistemas nano estruturados foram estudadas visando a obtenção de um modelo realístico para anéis quânticos potencialmente adaptáveis a pontos quânticos. Para alcançar este objetivo, foram feitos alguns estudos, apoiados por resultados experimentais, que permitiram a construção passo a passo do modelo teórico, como: aproximação da função envelope na representação k.p em poços quânticos e anéis/pontos quânticos com campo magnético perpendicular e sem interação spin-órbita. Nestes modelos, os efeitos do tamanho, tensão e localização foram introduzidos subsequentemente para entender o processo de formação do anel e os resultados apresentados na fotoluminescência e na magneto-luminescência. O resultado experimental da microscopia de força atômica nos levou a analisar a importância das propriedades estruturais e os tipos possíveis de assimetria encontrados em anéis quânticos devido ao processo de crescimento. O entendimento desses efeitos e a evidência de anisotropia em uma direção preferencial do anel ajudou na construção de modelos mais realísticos para os perfis de potencial. Deste modo, vários sistemas foram estudados com sucesso. Eles também possuíam um campo magnético controlável (ambas, magnitude e orientação), além da deformação geométrica, que torna o anel elipsoidal, e a interação spin-órbita. O modelo mais realístico foi usado para analisar a geração da fase de Berry e o peso da contribuição de cada termo do Hamiltoniano.

L'introduction du semiconducteur ferromagnétique (Ga,Mn)As dans des hétérostructures semiconductrices ouvre la possibilité d'exploiter de nouveaux phénomènes de transport dépendant du spin. Dans des jonctions tunnel composées d'électrodes de (Ga,Mn)As, nous avons étudié l'influence de la hauteur et de l'épaisseur d'une barrière d'(In,Ga)As, ainsi que l'influence du recuit sur la magnétorésistance tunnel (TMR). Nous nous sommes également intéressés à de nouveaux effets d'anisotropie de résistance tunnel liés au fort couplage spin orbite des trous dans (Ga,Mn)As (TAMR). Une interprétation générale de ces 2 phénomènes a été donnée dans le cadre de l'approche du transfert de matrices adaptée à la théorie k.p. L'utilisation d'un puits quantique de GaAs pour sonder la TAMR a permis de mettre en évidence l'influence des différentes sous-bandes de (Ga,Mn)As sur le transport polarisé en spin. Enfin, nous avons démontré la possibilité de manipuler l'aimantation d'une fine couche de (Ga,Mn)As par injection d'un courant polarisé en spin.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4172.pdf: 7642766 bytes, checksum: 9dacbeac3b1c3b074d74029cfe1395d6 (MD5) Previous issue date: 2012-02-16 / Financiadora de Estudos e Projetos / The present work aims the study of electronic, elastic and structural properties of a whole class of nanoscopic semiconductors systems, which include quasi-two-dimensional, one-dimensional and zero-dimensional confined systems. Within two-dimensional systems, the effects caused by strain and temperature on the electronic structure of AlGaAs=GaAs multiple quantum wells oriented along [001] and [113] crystallographic directions were studied. The energy difference between light- and heavy-hole states as a function of temperature, for both crystallographic directions, was obtained from photoluminescence spectra. Using k _ p calculations, it was possible to phenomenologically explain experimental data and to show that electronic structure of quantum wells grown along [113] direction presents higher sensitivity to temperature variation. A second task in quasi-two-dimensional systems was the study of the magnetic response of neutral excitons in AlGaAs=GaAs simple quantum wells grown along [110] crystallographic direction. The Zeeman splitting and the degree of circular polarization (DCP) for the sample was extracted from circularly polarized photoluminescence spectra. Using k _ p calculations, it was possible to show that the valence band presents a high hybridization of spin states in this kind of system. To simulate the relative occupation of hybridized states, a dynamic model for spin relaxation combined with electronic structure calculations was performed. Based on theoretical results, the experimental data of the Zeeman splitting and DCP were satisfactorily and phenomenologically explained. As the last task in quasi-two-dimensional systems, the effect of in-plane magnetic field in a AlGaAs=GaAs double quantum well system was studied. As the main result, the envelope functions required for an efficient k _ p calculation in this kind of system was constructed. Concerning one-dimensional confined systems, structural properties of a twin-plane superlattice in InP nanowires were studied. The system was simulated along [111] crystallographic direction by molecular dynamics. The latter provided, besides nanowire atomic structure, stress tensor elements and elastic constants at T = 0 K. Giving the molecular dynamics results, it was possible to theoretically calculate strain tensor components and the potential profiles at the valence and conduction energy bands. The calculations showed how the strain potential profiles modulate the electronic band structure of the nanowire, generating a one-dimensional superlattice. Finally, within zero-dimensional confined systems, dynamic effects detected in the time-resolved emission from InAs quantum dots ensembles were studied. To explain the experimental behavior of the time decay as a function of quantum dots emission energy, the electron-phonon interaction, considering Fröhlich Hamiltonian model, and a carrier dynamics, that takes in account nonlinear effects such as carrier imbalance, were included in theoretically calculations. The theoretical results show that, when the system behaves like an ensemble, collective effects predominate, and different relaxation processes stand out in the system, distinguishing it from that one of isolated quantum dots. By means of theoretical calculations it was possible to satisfactorily explain the experimental data. / Este trabalho visa o estudo das propriedades eletrônicas, elásticas e estruturais de toda uma classe de sistemas semicondutores denominada de nanoscópica, a qual abrange sistemas quase bidimensionais, unidimensionais e zero-dimensionais. Nos sistemas quase bidimensionais se investigou os efeitos que o strain e a temperatura provocam na estrutura eletrônica de poços quânticos múltiplos de AlGaAs=GaAs orientados ao longo das direções cristalográficas [001] e [113]. A partir de espectros de fotoluminescência se obteve a dependência da diferença de energia entre os estados de buraco pesado e buraco leve em função da temperatura para as duas direções cristalográficas. Calculando a estrutura de bandas via método k _ p foi possível explicar fenomenologicamente os dados experimentais, e mostrar que a estrutura eletrônica do poço crescido ao longo da direção [113] é mais sensível aos efeitos da temperatura. Estudou-se também a resposta magnética de éxcitons neutros em poços quânticos simples de AlGaAs=GaAs orientados ao longo da direção cristalográfica [110]. Por meio da fotoluminescência com luz circularmente polarizada se obteve experimentalmente o desdobramento Zeeman e o grau de polarização circular (DCP). O cálculo da estrutura de bandas via k _ p mostrou que neste sistema a banda de valência se mostra altamente sensível à hibridização dos estados de spin. Para simular a ocupação relativa destes estados hibridizados combinou-se um modelo dinâmico de taxas de relaxação de spins com cálculos de estrutura eletrônica. A partir dos resultados teóricos foi possível explicar de forma satisfatória o comportamento experimental tanto do desdobramento Zeeman quanto do DCP. Ainda nos sistema bidimensionais estudou-se também o efeito da aplicação do campo magnético perpendicular à direção de quantização na estrutura eletrônica de poços quânticos duplos acoplados de AlGaAs=GaAs. Como principal resultado se obteve a função envelope, necessária para um cálculo eficiente da estrutura eletrônica via k_p neste tipo de sistema. No estudo voltado para sistemas unidimensionais foram investigadas as propriedades estruturais de uma super-rede twinning em um nanofio de InP. O sistema foi simulado ao longo da direção [111] por dinâmica molecular, que forneceu, além da estrutura atômica do nanofio, os elementos do tensor de stress e as constantes elásticas a 0 K. A partir destes resultados obteve-se teoricamente os elementos do tensor de strain e o perfil de potencial gerado pelo campo de strain. Os cálculos mostraram que estes potenciais geram uma modulação na estrutura de bandas do nanofio, criando um perfil de potencial do tipo gerado por uma super-rede unidimensional. Por fim, em sistemas zero-dimensionais se estudou os efeitos dinâmicos detectados a partir da emissão resolvida no tempo de um ensemble de pontos quânticos de InAs. Para explicar o comportamento experimental do tempo de decaimento óptico, em função da energia de emissão do sistema, foram feitos cálculos teóricos do tempo de decaimento levando-se em conta a interação elétron-fônon, por meio do Hamiltoniano de Fröhlich, e uma dinâmica de portadores, a qual inclui efeitos não lineares como o desbalanço de cargas. Os resultados mostraram que quando o sistema se apresenta como um ensemble os efeitos coletivos predominam, fazendo com que o sistema apresente propriedades diferenciadas com relação a um sistema de pontos quânticos isolados. Por meio dos cálculos teóricos foi possível explicar de maneira satisfatória os resultados experimentais.

8-band k.p theory was applied to bulk GaN and InN. The optical transitionintensity was computed and results show > 80-90% degree of polarization inthe direction of compression. Polarization switching is observed when strainwas reversed from compressive to tensile. 6 band k.p theory was used tostudy InGaN quantum dot/GaN elliptical pyramid structures. The opticaltransition intensity was calculated for different elongations of the pyramid.Elongation of the pyramid gives rise to a small polarization in the directionof the pyramid elongation. The optical transition intensity was calculatedfor elongated quantum dots and was strongly in uencing the polarization inthe direction of the quantum dot elongation, with a degree of polarization of >90%.

We present a comprehensive investigation of the low-¯eld hole mobility in strained Ge and III-V (GaAs, GaSb, InSb and In1¡xGaxAs) p-channel inversion layers with both SiO2 and high-· insulators. The valence (sub)band structure of Ge and III-V channels, relaxed and under strain (tensile and compressive) is calculated using an effcient self-consistent method based on the six-band k ¢ p perturbation theory. The hole mobility is then computed using the Kubo-Greenwood formalism accounting for non-polar hole-phonon scattering (acoustic and optical), surface roughness scatter- ing, polar phonon scattering (III-Vs only), alloy scattering (alloys only) and remote phonon scattering, accounting for multi-subband dielectric screening. As expected, we find that Ge and III-V semiconductors exhibit a mobility significantly larger than the \universal" Si mobility. This is true for MOS systems with either SiO2 or high-k insulators, although the latter ones are found to degrade the hole mobility compared to SiO2 due to scattering with interfacial optical phonons. In addition, III-Vs are more sensitive to the interfacial optical phonons than Ge due to the existence of the substrate polar phonons. Strain { especially biaxial tensile stress for Ge and biaxial compressive stress for III-Vs (except for GaAs) { is found to have a significant beneficial effect with both SiO2 and HfO2. Among strained p-channels, we find a large enhancement (up to a factor of 10 with respect to Si) of the mobility in the case of uniaxial compressive stress added on a Ge p-channel similarly to the well-known case of Si. InSb exhibits the largest mobility enhancement. In0:7Ga0:3As also exhibits an increased hole mobility compared to Si, although the enhancement is not as large. Finally, our theoretical results are favorably compared with available experimental data for a relaxed Ge p-channel with a HfO2 insulator.

Ce travail est consacré à l'étude des phénomènes physiques dans les composants à base d'alliage SiGe en présence de fort champ électrique donc mettant en jeu des porteurs très énergétiques susceptibles d'induire de l'ionisation par choc. A l'aide d'une méthode k.p à 30 bandes, nous avons modélisé les structures électroniques complètes du Si, du Ge et des alliages Si1-xGex massifs et contraints sur une large gamme d'énergie (11 eV autour de la bande interdite) avec une très grande précision sur les paramètres de Luttinger ou les masses effectives. Associée au formalisme de la fonction enveloppe, cette méthode nous a fourni les relations de dispersion des sous-bandes en bande de valence et de conduction de puits quantiques à base d'alliages SiGe. Pour intégrer les structures électroniques dans la simulation du transport, nous avons calculé les densités d'états pour des structures électroniques 3D et 2D. Nous avons aussi obtenu les masses de densité d'états en fonction de la température dans les alliages SiGe massifs et contraints sur Si. Le chapitre 4 est consacré à l'étude du transport dans les alliages SiGe à partir d'une résolution déterministe de l'équation de Boltzmann. A l'aide des masses de densité d'états, nous avons calculé les mobilités moyennes des trous dans le SiGe. A partir de la simulation du transport à fort champ électrique des électrons dans le Si contraint sur SiGe et des trous dans le Ge contraint sur SiGe, nous avons obtenu les coefficients d'ionisation par choc dans ces matériaux. Des mesures d'électroluminescence réalisées sur des HFET à base d'alliages SiGe ont permis de remonter à quelques propriétés de l'ionisation par choc dans ces composants.

La course à la miniaturisation des transistors MOS (Métal Oxyde Semiconducteur) implique l'utilisation de nouvelles technologies d'amélioration des performances. Notamment, l'ingénierie de contrainte mécanique est aujourd'hui devenue une étape incontournable. Dans ce contexte, les objectifs de ce travail sont de modéliser les dispositifs des prochains nœuds technologiques et de quantifier l'impact de la contrainte mécanique sur le transport. La mobilité est le facteur de mérite principalement exploité pour quantifier les performances d'une technologie et l'un des paramètres clés des simulateurs commerciaux. Dans ce cadre, le concept de mobilité effective et de mobilité de magnétorésistance dans les dispositifs courts est analysé et le rôle prépondérant des effets non stationnaires dans leur extraction est clairement identifié et quantifié par des modèles avancés. Ensuite, grâce à la version « Full Band » du simulateur particulaire Monte Carlo MONACO développée durant cette thèse, l'influence de la contrainte sur la structure de bandes et ses répercussions sur le transport dans les transistors courts sont étudiées. En bande de valence, le régime balistique est loin d'être atteint et la mobilité reste représentative des performances. Enfin, l'impact de la contrainte uniaxiale sur la mobilité des trous en couche d'inversion est étudiée par le biais d'expériences de flexion mécanique. Grâce à l'outil de calcul de mobilité Kubo-Greenwood (couplé à une résolution autocohérente des équations de k.p Schrödinger à 6 bandes et de Poisson) développé dans cette thèse, les tendances observées sont expliquées par les forts couplages existants entre les effets de contrainte et de confinement des trous.

Le couplage spin-orbite combiné avec des effets de brisure de la symétrie d'inversion conduit au dédoublement de niveaux d'énergie de la structure de bande réelle et complexe des matériaux massifs et des hétérostructures bidimensionnelles tels que puits quantiques et hétéro-jonctions. La première partie de ce travail calcule numériquement les trois contributions au splitting de spin : BIA, SIA et IIA en se basant sur le modèle k.p de Kane étendu à 14 bandes et sur les nouveaux paramètres obtenus par la méthode des liaisons fortes. Plusieurs résultats numériques sont confrontés aux résultats expérimentaux anciens. Nous avons obtenu, pour la première fois, une description quantitative satisfaisante des relations de dispersion des sousbandes de valence d'un puits quantique GaAs/(AlGa)As (mesurées par le groupe de L. Eaves par effet tunnel résonnant en présence d'un champ magnétique dans le plan.) et de leur splitting de spin (mesuré il y a déjà longtemps par H. Stormer et al.). Ces résultats semblent indiquer que le terme IIA est effectivement petit dans ce cas. Nous avons également calculé les spectres d'absorption optique de puits quantiques et obtenu, avec la nouvelle paramétrisation, un accord remarquablement bon avec des résultats expérimentaux d'O. Krebs sur l'effet Pockels confiné quantiquement.<br /><br />Nous examinons ensuite la structure de bande complexe du GaAs et montrons par une représentation complexe et non purement imaginaire du vecteur d'onde que les états évanescents existent pour toutes les directions de la zone de Brillouin. Cette existence se manifeste par des boucles reliant les bandes de conduction et les bandes de valence. Ce résultat est une contribution originale sur le concept de filtre de spin.<br /><br />La deuxième partie de ce travail porte sur l'étude expérimentale du rôle de couplage spin-orbite dans des fils quantiques semi-balistiques obtenus par gravure à partir d'une structure à gaz bidimensionnel d'électrons. Nous espérons observer une transition entre le régime de localisation faible et celui, opposé, d'antilocalisation faible. Les pics observés expérimentalement lors des mesures de la magnétorésistance ont des propriétés qui sont bien expliquées en termes de la localisation faible. Ces mesures nous ont permis d'extraire des différents temps caractéristiques des échantillons et d'observer les changements de régime fort champ magnétique/bas champ magnétique liés à la nature quasi-balistique des échantillons.

Depuis que les dimensions des nano-dispositifs ont atteint l’échelle nanométrique, la simulation quantique est devenue incontournable dans le domaine de la nanoélectronique. Parmi les différents phénomènes physiques, l’interaction électron-phonon représente un processus majeur limitant la mobilité des porteurs de charge à température ambiante. En combinant la théorie multibandes k.p avec le formalisme quantique des fonctions de Green hors-équilibre, nous avons étudié et comparé deux types de dispositifs double-grille dopés p: le transistor MOS «conventionnel» et celui dit «sans jonction». L’influence de l’orientation cristalline, du matériau semi-conducteur, de la longueur de grille et de l’épaisseur du substrat a été étudiée afin d’optimiser les performances de ces dispositifs aux dimensions ultimes. D’un point de vue plus fondamental, l’interaction avec les phonons est habituellement implémentée à partir de l’approche auto-cohérente de Born (SCBA). Nous avons exploré la validité des approches non auto-cohérentes numériquement moins coûteuse qui conservent le courant : Lowest Order Approximation (LOA). Une comparaison entre SCBA, LOA et son prolongement analytique (LOA+AC) en modèle multi-bande a été menée. / Device simulation has attracted large interest since the dimensions of electronic devices reached the nanoscale. Among the new physical phenomena observed we focus on interaction-induced effects. Particular emphasis is placed on electron-phonon interactions as it is one of the most important carrier mobility-limiting mechanisms in nanodevices. Using the k.p multiband theory combined with the Non-Equilibrium Green's Function formalism, we model 2 types of double-gate devices: p-type MOSFETs and junctionless p-type MOSFETs. The 2D architecture of the double-gate device enables us to investigate the influence of confinement in one direction, infinite propagation in the other direction and connection to semi-infinite reservoirs in the last one. Different crystallographic orientation, channel materials, gate lengths and channel widths are investigated. From a fundamental point of view, phonon scattering is usually implement via the so-called Self-Consistent Born Approximation (SCBA°. We explore the validity of a one shot current conserving method based on the Lowest Order Approximation (LOA). A comparison between SCBA, LOA and its analytic continuation (LOA+AC) in multiband models is discussed.

Indirekte Halbleiter, wie beispielsweise Silizium, zählen bei technischen Anwendungen zu den wichtigsten halbleitenden Materialien. Die indirekte Bandstruktur führt jedoch dazu, dass diese Materialien schlechte Lichtemitter sind. Die theoretische Beschreibung der optischen Eigenschaften dieser Materialien wurde in früheren Betrachtungen über phänomenologische Ansätze verfolgt. In dieser Arbeit wird eine mikroskopische Theorie, basierend auf den Heisenberg-Bewegungsgleichungen, entwickelt, um die Prozesse im Bereich der indirekten Energielücke zu beschreiben. Nach Herleitung der relevanten Gleichungen wird im ersten Anwendungskapitel die Absorption und optische Verstärkung im thermischen Gleichgewicht diskutiert. Bei der Diskussion wird insbesondere auf den Unterschied zu direkten Halbleitern eingegangen. Es zeigt sich, dass sich die optische Verstärkung in indirekten Halbleitern fundamental von denen in direkten unterscheidet. Im Gegensatz zum direkten Halbleiter kann die maximale optische Verstärkung eines indirekten Übergangs die maximale Absorption um Größenordnungen übertreffen. Im zweiten Anwendungsteil werden Nichtgleichgewichtsphänomene diskutiert. Durch starke optische Anregung kann eine hohe Elektronenkonzentration am Gamma-Punkt erzeugt werden. Da das globale Bandstrukturminimum aber am Rand der Brillouinzone liegt, verweilen die Elektronen nicht lange dort, sondern streuen in das Leitungsbandminimum. Dieser Prozess der sogenannten Intervalley-Streuung wird im Hinblick auf Gedächtniseffekte diskutiert. Nach dem Streuprozess der Elektronen besitzt das System eine Überschussenergie, die sich in einem Aufheizen der Ladungsträger zeigt. Das zweite Nichtgleichgewichtsphänomen ist das Abkühlen des Lochsystems, welches aufgrund der Trennung der Elektronen und Löcher in indirekten Halbleiter auch im Experiment getrennt untersucht werden kann. Mithilfe eines Experiment-Theorie-Vergleichs wird ein schneller Elektron-Loch-Streuprozess nachgewiesen, der dazu führt, dass in indirekten Halbleitern das Thermalisieren und Equilibrieren der Elektronen und Löcher auf der gleichen Zeitskala stattfindet.