Effets magnéto-plasmoniques dans les milieux effectifs composés de métaux ferromagnétiques

Une phase de précipités ferromagnétiques et métalliques dans une matrice semi-conductrice conservant son caractère épitaxial représente un matériau effectif hors du commun très intéressant au point de vue de la recherche fondamentale et des applications technologiques. Considérés initialement comme des produits malencontreusement formés lors de la croissance des certains semi-conducteurs magnétiques dilués, ces matériaux présentent toutefois des caractéristiques pouvant être mises a profit, comme leur fort couplage optique dû a la phase précipitée. Les systèmes de GaP:MnP étudiés dans le cadre de cette thèse présentent ce genre de matériaux où les précipités (MnP) forment une phase ferromagnétique et métallique, alors que la matrice environnante (GaP) est épitaxiale. Afin de bien comprendre l'impact de la matrice de GaP sur les nanoagrégats de MnP, une couche mince de MnP crue sur verre et une membrane de polystyrène contenant des nanoagrégats de MnP ont également été étudiés. Les mesures optiques et magnéto-optiques ont été réalisées au moyen d'un montage expérimental assemblé au laboratoire. Son design modulaire permet d'alterner entre des mesures en température, en champ magnétique, en polarisation et en longueur d'onde, ou encore de combiner ces aspects au besoin. Les techniques expérimentales employées sont décrites et les incertitudes associées aux mesures sont évaluées. La caractérisation magnéto-optique des matériaux hétérogènes GaP:MnP a permis de mettre en évidence une impressionnante gyrotropie qui s'élève a 6/μm (épaisseur effective de MnP) a 210 K et 410 mT, dans la portion visible du spectre électromagnétique. Cette gyrotropie est plus élevée par volume de MnP que pour une couche mince de MnP (3/μm) aux mêmes conditions de température et de champ magnétique appliqué. L'origine de l'activité optique générée par le champ magnétique appliqué a été identifiée comme étant l'aimantation de la phase de MnP dans le matériau effectif, tout comme dans la couche mince. Une série de mesures d'hystérésis magnétométriques et magnéto-optiques a différentes températures sur ces systèmes à base de MnP a démontré que le champ magnétique appliqué n'est pas une composante importante de la gyrotropie induite, mais seulement la cause de la variation de l'état d'aimantation, qui à son tour domine l'effet magnéto-optique. Les mesures indépendantes de l'aimantation et de la rotation du plan de polarisation de la lumière a une énergie de 1,89 eV (655 nm) ont permis d'extraire le préfacteur à l'aimantation qui donne lieu à la gyrotropie du MnP. Il est évalué comme étant de 15,3/(T · nm) pour les échantillons de type GaP:MnP alors qu'il est de 12,5/(T·nm) pour le MnP en couche mince. Ce préfacteur phénoménologique à l'aimantation est assimilé au couplage spin-orbite donnant lieu a l'activité optique dans le MnP.

Abstract

A precipitated metallic and ferromagnetic phase in an epitaxial semiconductor host matrix is an interesting effective medium for both fundamental research and technological applications. At first seen as an unwanted byproduct resulting from the implantation of magnetic ions in semiconductors for the synthesis of diluted magnetic semiconductors, those precipitated phases can offer much more than was first anticipated. The precipitate phase strongly couples to optical excitations, maintains an high ferromagnetic transition temperature, and the epitaxial semiconductor matrix is easily grown on various substrates. GaP:MnP samples studied in this thesis represent this kind of material where metallic ferromagnetic nanoclusters (MnP) are embedded in an epitaxial semiconductor matrix (GaP). In order to further analyze the effect and the role of the surrounding matrix on the MnP and overall effective properties, an MnP thin film grown on glass and a polystyrene membrane containing MnP nanospheres were also studied. Optical and magneto-optical measurements were made with a homemade experimental apparatus entirely assembled in the laboratory. It's modular design allows to switch between temperature, magnetic field, probe wavelength and polarization measurements, or to combine them as needed. The precision and uncertainties associated with the measures were duly evaluated. The magneto-optical characterization of the heterogeneous GaP:MnP shows an impressive gyrotropy that amounts to 6/μm (per effective thickness of MnP) at 210 K and 410 mT, in the visible part of the electromagnetic spectrum. This gyrotropy is higher than that of a thin film entirely made of MnP (3/μm), for the same temperature and applied magnetic field. The origin of the optical activity generated by the applied magnetic field is identified as being the MnP phase magnetization, for both the heterogeneous epilayers and the thin film. Magnetometric and magneto-optic hysteresis curves measured at various temperatures clearly show that the applied magnetic field is not the important contributor to the overall gyrotropic behaviour, but rather the cause of the magnetization state that, in turn, dominates the magneto-optical effects. A phenomenological magneto-optical coupling parameter that acts as a prefactor to the magnetization to yield the Faraday rotation angle is determined through independent measurements of the magnetization and gyrotropy as a function of the applied field, at the energy of 1,89 eV (655 nm). It is evaluated to be 15,3/(T · nm) for the GaP:MnP samples and 12,5/(T · nm) for the MnP lm.