Le système des nano-colonnes auto-assemblées de GeMn, riches en Mn et entourées d'une matrice de germanium quasi pure, est un matériau prometteur pour la spintronique. Selon les paramètres de croissance, les échantillons contiennent des nano-colonnes de type cohérents sur la matrice de Ge, de type amorphe, ou/et des nano-inclusions de Ge3Mn5. Ce manuscrit présente notre étude des propriétés électroniques, magnétiques et structurales des nano-colonnes de GeMn à l'aide du rayonnement synchrotron. Les mesures de la diffusion et diffraction des rayons X en incidence rasante dans des échantillons contenant des nano-colonnes cohérentes et sans précipités de Ge3Mn5 montrent un certain désordre dans les nano-colonnes. Les cartographies de l'espace réciproque ont pu être quantitativement expliquées en considérant la déformation de la matrice de germanium due à l'inclusion des nano-colonnes dans celle-ci, ainsi que par leurs corrélations de position, sans avoir recours à d'autres phases cristallines. La spectroscopie d'absorption et le dichroïsme circulaire magnétique de rayons X ont permis de sonder spécifiquement les propriétés magnétiques des atomes de Mn dans des échantillons sans précipités de Ge3Mn5. On observe une allure des spectres XAS-XMCD des nano-colonnes très similaire à celle observée dans le cas de Ge3Mn5. Le moment magnétique local sur le manganèse possède une composante orbitale faible mais non-nulle et une amplitude totale (0.8 +/- 0.1 µB) plus faible que celle attendue pour Ge3Mn5 (~2.6 µB) ou pour des atomes de Mn substitutionnels (~3 µB). Ceci indique une origine différente de la phase des nano-colonnes. Les spectres XAS-XMCD ont été calculés pour différentes structures modèles, incluant des défauts simples ainsi de nouvelles phases cristallines, les paramètres critiques des calculs ayant été identifiés. Le meilleur accord est observé pour une nouvelle phase de type Ge2Mn.

Les propriétés électroniques de (Ga,Mn)N ont été étudiées par spectroscopie d'absorption des rayons X au seuil K du Mn. Des calculs ab-initio ont été utilisés pour interpréter les spectres d'absorption de (Ga,Mn)N. Deux pré-pics sont présents dans le seuil du Mn: le premier pré-pic est attribué aux transitions électronique vers les états 3d du Mn de spin up, tandis que le second pré-pic correspond aux transitions vers les états 3d du Mn de spin down. Cette interprétation nous permet de déterminer que l'état électronique du Mn dans (Ga,Mn)N est Mn³⁺: deux pré-pics sont présents dans les spectres d'absorption du Mn³⁺ et un seul pré-pic reste dans les spectres du Mn²⁺. Ce changement des spectres a été vérifié expérimentalement sur des échantillons de (Zn,Mn²⁺)Te et (Ga,Mn²⁺)As. De plus, cette interprétation permet d'étudier la distribution du Mn dans (Ga,Mn)N: la forme des spectres d'absorption suggère que la distribution du Mn est homogène dans nos échantillons de (Ga,Mn)N.

This manuscript is organized as follows: In Part One, the main properties of Mn-doped and singly charged II-VI QDs are presented. In chapter 1 we will describe their energy level structure. We will then analyze in detail the influence of the QD symmetry and of the valence band mixing on the spin structure of QDs containing an individual carrier and one or two Mn atoms. We will finally show how the tuning of the charge state of a QD can be used to control the magnetic properties of a Mn atom. In chapter 2, we will focus on the spin dynamics of these few interacting spins. We will first analyse the dynamics of coupled electron and diluted nuclear spins in these II-VI QDs. We will, in particular, show that the electron spin dephasing by the low density of fluctuating nuclear spins is efficiently suppressed at zero field by a dynamic nuclear spin polarization. We will then focus on the dynamics of coupled carriers and Mn spins. We will first show how the injection of spin polarized carriers can be used to prepare by optical pumping the spin state of one or two Mn atoms. We will then discuss the mechanism controlling the efficiency and the dynamics of this optical pumping. We will finally show how the strong coupling between a laser field and the optical transitions of a Mn-doped QD can be used to optically tune the energy of any spin state of a Mn atom. Part Two (Chapter 3) is devoted to the presentation of ongoing work and perspectives on the coherent dynamics of interacting electron, nuclei and Mn spins in II-VI semiconductor QDs. We will, for instance, discuss the possibility of using the strong coupling with a resonant laser field to control the coherent dynamics of coupled electronic and nuclear spins of a Mn atom.

L'insertion de nombreuses impuretés magnétiques dans des matériaux semiconducteurs massifs permet d'obtenir un comportement ferromagnétique. D'autre part, les boîtes quantiques confinent les porteurs dans les trois dimensions, permettant un contrôle individuel de chacun. Le travail présenté ici concerne l'insertion d'une unique impureté magnétique (Manganèse) dans une seule boîte quantique de semiconducteur II-VI. Cet objet permet l'étude directe, par des moyens expérimentaux relativement simples, de l'interaction entre l'impureté magnétique et un porteur confiné dans la boîte quantique. De manière uniquement optique, le spin de l'impureté peut être contrôlé et détecté. Cela en fait un candidat possible pour réaliser un codage quantique de l'information.<br />La réalisation de ces échantillons, en épitaxie par jets moléculaires, est d'abord détaillée. La ségrégation du Mn au cours de la croissance est utilisée pour réduire la densité d'atomes Mn tout en la contrôlant. Des expériences de micro-spectroscopie optique permettent de valider cette méthode. Ensuite, une étude fine de l'interaction impureté-porteur est réalisée. Les spectres expérimentaux sont analysés à l'aide d'un modèle simple des fonctions d'onde des porteurs dans la boîte. Des valeurs quantitatives de cette interaction sont données en tenant compte de la position de l'impureté dans la boîte ainsi que de sa réduction, induite par le confinement des porteurs. <br />Finalement, les possibilités pour contrôler cette interaction sont présentées: la modification de l'interaction par l'ajout de porteurs dans la boîte quantique, puis une augmentation possible de cette interaction grâce à un meilleur confinement des trous.

Les semiconducteurs dopés avec des ions magnétiques (DMS) sont des matériaux prometteurs pour des applications dans le domaine émergent de la spintronique. Pour relever ce défi, une grande quantité d'impuretés magnétiques devraient entrer dans le cristal de la structure d'accueil sans séparation de phase, donc une caractérisation détaillée à l'échelle nanométrique est obligatoire. La spectroscopie d'absorption des rayons X est une technique bien adaptée pour sonder l'ordre locale, de manière à comprendre les mécanismes responsables de la spécificité des propriétés physiques de ces matériaux. Le point de départ de cette étude est le bien connu GaAs dopés avec Mn où la présence de défauts de Mn interstitiel réduit la température de transition ferromagnétique (T_C) et des traitements après croissance sont nécessaires en tant que remède. Un nouveau matériau prometteur c'est le GaN dopé Fe, présentant des propriétés magnétiques intéressantes quand dopé autour de la limite de solubilité du Fe. Dans ce cas, la question clé est la transition du Fe substitutionel à la précipitation en nano-cristaux riches en Fe, en passant par des conditions de décomposition spinodale. En effet, on observe que la T_C est augmentée considérablement par l'exploitation de la décomposition spinodale comme le montre le cas du Mn dans le Ge où il y a la création de nano-colonnes ferromagnétiques riches en Mn présentant un caractère de structure locale désordonnée dans un hôte cristallin. Enfin, les premières données de l'incorporation du Mn dans les nano-fils de GaAs et InAs sont enregistrées. Ces systèmes sont appelés à jouer un rôle clé dans la fabrication de dispositifs DMS à une dimension.

La spintronique est un nouveau domaine de recherche qui a vu récemment des applications très importantes dans la microélectronique. Dans ce cadre, de nouveaux matériaux sont étudiés dont les semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS). Ces derniers associent les propriétés des semiconducteurs avec le spin de l'électron pour donner de nouvelles fonctionnalités. Malheureusement ses matériaux possèdent une température de Curie (Tc) largement en dessous de la température ambiante. Or, d'après des prédictions théoriques récentes, l'utilisation de semi-conducteurs à large bande interdite comme le ZnO dopé cobalt, seraient des candidats potentiels pour atteindre une Tc largement au-dessus de la température ambiante. Cependant, l'origine du ferromagnétisme est encore sujette à controverse : <br />- Le ferromagnétisme est intrinsèque ou extrinsèque ? <br />- Quel est le mécanisme relatif aux interactions magnétiques ? <br />Pour répondre à ces questions une méthode originale de dépôt en couche mince par ablation laser a été mise en place à partir de l'utilisation de deux cibles métalliques. Cette étude a donc été réalisée en deux étapes : l'optimisation des conditions de dépôt du ZnO puis l'utilisation des ses conditions pour incorporer le cobalt. De plus, la concentration en cobalt des films a été fixée et nous avons étudié l'influence des conditions de dépôts. Il en a résulté que le substrat jouait un rôle important dans la croissance des films et nous en avons déduit que les défauts sont nécessaires à l'apparition du ferromagnétisme. Ceci en accord avec les derniers développements théoriques. Enfin, une comparaison avec des films réalisés à partir des cibles céramiques a confirmé ses résultats.

Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés optiques de boites quantiques anisotropes de (Cd,Mn)Te insérées dans des nanofils de ZnTe. Les boites quantiques étudiées contenant 10% de Mn sont allongées suivant l’axe du fil ce qui tend à favoriser un état fondamental à trou léger ayant une susceptibilité de spin perpendiculaire à l’axe du fil. L’objectif principal de la thèse est l’étude de la formation du Polaron Magnétique dans ces boites et la détermination de leur anisotropie magnétique.Nous avons étudié en premier les propriétés optiques de nanofils de ZnTe et de nanofils coeurs-coquilles ZnTe/(Zn,Mg)Te. Ces études nous ont amené à modéliser les contraintes élastiques dans le cœur, dans la coquille et dans des boites allongées insérées dans les nanofils. Ce modèle nous a permis d’estimer les splittings entre les niveaux de trou lourd et de trou léger dans la boite et dans le fil.Nous avons étudié ensuite des nanofils contenant des boites magnétiques et non magnétiques par spectroscopie magnéto-optique. Dans les boites magnétiques, les interactions d’exchange entre les porteurs localisés et les spins de Mn induisent un très fort décalage Zeeman de la raie excitonique (Effet Zeeman Géant). Pour extraire des paramètres quantitatifs, nous avons combiné différentes techniques expérimentales sur le même nanofil (photo et cathodoluminescence, analyse dispersive en énergie du rayonnement X). Nous avons utilisé différentes orientations du champ magnétique pour déterminer l’anisotropie du trou dans la boite. Les valeurs expérimentales sont plus petites que les valeurs théoriques ce qui suggère un mauvais confinement du trou dans la boite.Afin d’obtenir un meilleur confinement du trou, nous avons étudié des boites de (Cd,Mn)Te entourées d’une coquille de (Zn,Mg)Te. Grace au meilleur confinement du trou, nous avons réussi à observer la formation du Polaron Magnétique excitonique. Des mesures de photoluminescence résolues en temps sur des nanofils uniques nous ont permis d’extraire l’énergie et le temps de formation du Polaron Magnétique entre 5K et 50K. La raie d’émission des boites présente un effet Zeeman géant inhabituel caractéristique d’un Polaron Magnétique à trou léger. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire la formation du Polaron Magnétique excitonique dans les boites quantiques. Ce model, basé sur l’énergie libre et valable pour des températures et des champs magnétiques arbitraires, a été utilisé pour rendre compte de l’ensemble des données expérimentales. Ce modèle a permis de déterminer les paramètres caractéristiques du polaron magnétique à trou léger (énergie, orientation and amplitude du moment magnétique, volume d’échange, anisotropie du trou). / In this PhD work we study the optical properties of anisotropic (Cd,Mn)Te magnetic quantum dots inserted in ZnTe nanowires. The quantum dots containing typically 10% of Mn spins are elongated along the nanowire axis which tend to stabilize a light hole ground state with a spin susceptibility perpendicular to the nanowire axis. The main goal was to study the formation of exciton Magnetic Polarons in such quantum dots and to determine their magnetic anisotropy.We investigate first the optical properties of ZnTe and ZnTe/(Zn,Mg)Te core shell nanowires. We model the elastic strain profile in core-shell nanowires and in elongated quantum dots. From the strain profiles, we estimate the value of the light hole heavy hole splitting expected in the dot and in the nanowire.In a second step we study single nanowires containing magnetic and non magnetic quantum dots by magneto-optical spectroscopy. The exchange interactions between confined carriers and Mn spins induce a large Zeeman shift of the exciton line (Giant Zeeman Effect). To extract quantitative parameters, we combine different experimental techniques (photo and cathodoluminescence, energy dispersive X ray spectroscopy) on the same nanowire. We use also different magnetic field orientations in order to determine the hole anisotropy in the dot. The experimental values are smaller than the theoretical ones suggesting a weak confinement of the holes in the dot due to a small (Cd,Mn)Te/ZnTe valence band offset.In a third step we study nanowires containing (Cd,Mn)Te quantum dots surrounded by a (Zn,Mg)Te alloy. Thanks to the better hole confinement induced by the (Zn,Mg)Te alloy, the formation of exciton magnetic polarons can be observed. We perform time resolved photoluminescence studies on single nanowires in order to determine the energy and the formation time of magnetic polarons from 5K to 50K. The quantum dot emission line shows an unusual Zeeman shift, characteristic of a light hole magnetic polaron. We develop a theoretical model describing the formation of exciton magnetic polaron in quantum dots. We use this model, based on the free energy and valid for any temperature and magnetic field, to fit the whole set of experimental data. It allows us to determine the characteristic parameters of the light hole magnetic polarons (energy, orientation and magnitude of the magnetic moment, exchange volume, hole anisotropy).

Le système des nano-colonnes auto-assemblées de GeMn, riches en Mn et entourées d'une matrice de germanium quasi pure, est un matériau prometteur pour la spintronique. Selon les paramètres de croissance, les échantillons contiennent des nano-colonnes de type cohérents sur la matrice de Ge, de type amorphe, ou/et des nano-inclusions de Ge3Mn5. Ce manuscrit présente notre étude des propriétés électroniques, magnétiques et structurales des nano-colonnes de GeMn à l'aide du rayonnement synchrotron. Les mesures de la diffusion et diffraction des rayons X en incidence rasante dans des échantillons contenant des nano-colonnes cohérentes et sans précipités de Ge3Mn5 montrent un certain désordre dans les nano-colonnes. Les cartographies de l'espace réciproque ont pu être quantitativement expliquées en considérant la déformation de la matrice de germanium due à l'inclusion des nano-colonnes dans celle-ci, ainsi que par leurs corrélations de position, sans avoir recours à d'autres phases cristallines. La spectroscopie d'absorption et le dichroïsme circulaire magnétique de rayons X ont permis de sonder spécifiquement les propriétés magnétiques des atomes de Mn dans des échantillons sans précipités de Ge3Mn5. On observe une allure des spectres XAS-XMCD des nano-colonnes très similaire à celle observée dans le cas de Ge3Mn5. Le moment magnétique local sur le manganèse possède une composante orbitale faible mais non-nulle et une amplitude totale (0.8 +/- 0.1 µB) plus faible que celle attendue pour Ge3Mn5 (~2.6 µB) ou pour des atomes de Mn substitutionnels (~3 µB). Ceci indique une origine différente de la phase des nano-colonnes. Les spectres XAS-XMCD ont été calculés pour différentes structures modèles, incluant des défauts simples ainsi de nouvelles phases cristallines, les paramètres critiques des calculs ayant été identifiés. Le meilleur accord est observé pour une nouvelle phase de type Ge2Mn. / The system of self-assembled Mn-rich GeMn nanocolumns embedded in a Mn-poor germanium matrix is a promising material for spintronics applications. Depending on the growth parameters, coherent GeMn nanocolumns, amorphous GeMn nanocolumns and/or Ge3Mn5 nanoclusters can be observed. In this manuscript, we report on the investigation on the electronic, magnetic and structural properties of the GeMn nanocolumns using synchrotron techniques. Measurements using grazing incidence x-ray scattering techniques in samples containing coherent nanocolumns, free from Ge3Mn5 precipitates, show some disorder in the nanocolumns. Reciprocal space maps are quantitatively explained by considering the scattering of the Ge matrix strained by the inclusion of the nanocolumns in the matrix and their correlations in position, without requiring the consideration of different additional phases. X-ray absorption spectroscopy and x-ray magnetic circular dichroism allow for the specific probing of the Mn magnetic properties in samples free of Ge3Mn5 clusters. The lineshapes of the XAS-XMCD spectra in the nanocolumns are found to be very similar to those in Ge3Mn5. The local magnetic moment on the Mn atom possess a small but non-zero orbital component and its total magnitude is much smaller (0.8 +/- 0.1 µB) than that in Ge3Mn5 (~2.6 µB) or than that expected for fully substitutional Mn atoms (~3 µB). This points to a different nature of the nanocolumns. The XAS-XMCD spectra have been calculated for several structural models, including simple defects and new crystalline phases, and critical parameters for the calculations have been identified. The best agreement is found for a new Ge2Mn crystalline phase.

Cette thèse porte sur l'étude des ondes de spin dans des puits quantiques CdMnTe dopés n, par rotation Kerr résolue en temps (TRKR) et par mélange à quatre ondes (FWM). Nous avons étudié trois échantillons de haute mobilité et de caractéristiques différentes.La technique TRKR donne accès uniquement aux excitations de vecteur d'onde nul, dans notre cas l'onde spin-flip en q=0. Nous avons étudié l'anticroisement qui apparait entre l'onde spin-flip et l'excitation spin-flip des ions manganèse. Nous avons étudié la variation du gap, et donc de l'énergie de couplage, entre ces modes en fonction de la puissance d'excitation et du champ magnétique. En particulier nous avons étendu les mesures des modes mixtes à plus basse concentration en Mn (jusqu'à 0.07%) et contrairement à ce qui était attendu, nous avons trouvé que le régime de couplage fort persiste à cette concentration.Nous nous sommes ensuite intéressés à la détermination de la polarisation en spin ζ du gaz d'électrons bidimensionnel, qui peut être déduite de l'énergie de couplage entre les modes mixtes. Nous avons trouvé que la polarisation mesurée par cette méthode excède la polarisation théorique calculée en prenant en compte le renforcement de la susceptibilité par les effets à N corps. Nous avons également mesuré les temps de relaxation des électrons confinés dans le puits quantique, et nous avons montré l'influence de l'échauffement de l'échantillon par le laser sur le temps de relaxation de spin des électrons.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié par FWM l'amortissement et la dispersion des ondes de spin de vecteur d'onde non nul pour l'un de nos échantillons. Nous avons démontré qu'on peut effectivement générer les ondes de spin en excitation femtoseconde, et les détecter en FWM. Nous avons trouvé que leur dispersion est plus faible que celle observée dans les expériences de Raman. Cette faible dispersion pourrait être imputable à la forte densité d'excitation utilisée dans les expériences de FWM (typiquement trois à quatre ordres de grandeur supérieurs à celle du Raman), et/ou au fait que deux ondes de vecteur d'ondes q et -q, ayant des dispersions différentes, sont sondées simultanément en FWM.

Cette thèse porte sur l'étude des ondes de spin dans des puits quantiques CdMnTe dopés n, par rotation Kerr résolue en temps (TRKR) et par mélange à quatre ondes (FWM). Nous avons étudié trois échantillons de haute mobilité et de caractéristiques différentes.La technique TRKR donne accès uniquement aux excitations de vecteur d'onde nul, dans notre cas l'onde spin-flip en q=0. Nous avons étudié l'anticroisement qui apparait entre l'onde spin-flip et l'excitation spin-flip des ions manganèse. Nous avons étudié la variation du gap, et donc de l'énergie de couplage, entre ces modes en fonction de la puissance d'excitation et du champ magnétique. En particulier nous avons étendu les mesures des modes mixtes à plus basse concentration en Mn (jusqu'à 0.07%) et contrairement à ce qui était attendu, nous avons trouvé que le régime de couplage fort persiste à cette concentration.Nous nous sommes ensuite intéressés à la détermination de la polarisation en spin ζ du gaz d'électrons bidimensionnel, qui peut être déduite de l'énergie de couplage entre les modes mixtes. Nous avons trouvé que la polarisation mesurée par cette méthode excède la polarisation théorique calculée en prenant en compte le renforcement de la susceptibilité par les effets à N corps. Nous avons également mesuré les temps de relaxation des électrons confinés dans le puits quantique, et nous avons montré l'influence de l'échauffement de l'échantillon par le laser sur le temps de relaxation de spin des électrons.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié par FWM l'amortissement et la dispersion des ondes de spin de vecteur d'onde non nul pour l'un de nos échantillons. Nous avons démontré qu'on peut effectivement générer les ondes de spin en excitation femtoseconde, et les détecter en FWM. Nous avons trouvé que leur dispersion est plus faible que celle observée dans les expériences de Raman. Cette faible dispersion pourrait être imputable à la forte densité d'excitation utilisée dans les expériences de FWM (typiquement trois à quatre ordres de grandeur supérieurs à celle du Raman), et/ou au fait que deux ondes de vecteur d'ondes q et –q, ayant des dispersions différentes, sont sondées simultanément en FWM. / This thesis focuses on the study of spin waves in n-doped CdMnTe quantum wells using respectively time-resolved Kerr rotation (TRKR) and four-wave mixing (FWM) techniques. We studied three high mobility samples with different characteristics.The TRKR technique gives access only to zero wave vector excitations, in our case the spin- flip wave q = 0 . We studied the anticrossing that appears between the spin -flip wave and the manganese spin -flip excitation. We studied the gap variation energy between these modes as function on the power excitation and the magnetic field. In particular, we have extended the measurements of mixed modes at lower Mn concentration (up 0.07 %) and contrary to what were expected; we found that the strong coupling regime persists at this concentration.We are then interested in determining the two dimensional electron gas spin polarization ζ, which can be deduced from the energy coupling between the mixed modes. We found that the measured polarization exceeds the theoretical polarization calculated taking into account the increased susceptibility by many-body effects. We also measured the electron spin relaxation time and we have shown that it is influenced by thermal effects inherent to optical pump-probe experiments on this time.In the second part of this thesis, we studied by FWM the damping and the dispersion of the non-zero wave vector spin waves for one of our samples. We have demonstrated that we can actually generate spin waves in femtosecond excitation and deted them by FWM. We found that the dispersion is lower than that observed in the Raman experiments. This low dispersion may be due to the strong excitation density used in the FWM experiments (typically three to four orders of magnitude higher than the Raman ones) and / or the fact that two waves of wave vector q and - q, having different dispersions are simultaneously probed in FWM .