Fabrication de couches minces de TeO2 et étude d'ions erbium implantés pour une plateforme de photonique quantique

Dans un contexte de seconde révolution quantique, un certain nombre de technologies voient leur développement s’accélérer avec l’avancée des recherches pour parvenir à exploiter les ef-fets quantiques de la matière. Parmi elles, les plateformes photoniques qui assurent l’interface entre la lumière et la matière jouent un rôle crucial, pour permettre entre autres de propager de l’information et de la stocker à l’aide de mémoires quantiques. Les cristaux dopés aux ions terres rares sont un candidat particulièrement prometteur pour la réalisation de telles pla-teformes, notamment les ions erbium avec leur transition optique à 1500 nm correspondant aux infrastructures de fibre optique. Ce projet vise à explorer la possibilité d’un dispositif à base d’ions erbium implantés dans du TeO2 cristallin. Le TeO2 présente l’avantage d’avoir un spin nucléaire très faible, et est un semi-conducteur connu pour ses bonnes propriétés acoustiques et la mobilité élevée de ses porteurs de charge. Des couches minces de TeO2 sont fabriquées par évaporation ther-mique sous ultra-vide, et leurs propriétés morphologiques sont décrites à l’aide de mesures de diffraction rayons X et de spectrométrie photoélectronique X, en fonction des conditions de déposition et de recuit. Les conditions d’apparition de deux phases cristallines distinctes sont explicitées. La remise en marche du système permettant de faire les déposition est décrite et documentée. Parallèlement, des substrats de TeO2 et de SiO2 sont implantés avec des ions erbium. Des mesures de spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford permettent de caractériser l’impact de l’implantation et de constater la réparation de la maille cristalline après recuit. Un montage de photoluminescence est assemblé et optimisé pour observer les propriétés optiques des ions implantés. Aucun signal n’a pu être mesuré sur les échantillons proposés.

Abstract

The second quantum revolution is accelerating the development of several new technolo-gies aiming at harnessing the power of quantum effects for new applications. Among them, photonics platforms play a crucial role by interfacing light and matter, enabling the trans-port and storage of quantum information. Rare earth ions doped crystal are a particularly promising candidate for the realization of such platforms, especially with the use of erbium ions and their 1500 nm optical transition, which matches already existing telecommunication infrastructure networks. The aim of this project is to explore the possibility of a device based on erbium ions implanted in crystalline TeO2. TeO2 displays very low nuclear spin, and is a semiconductor known for its good acoustic properties and the high mobility of its charge carriers. TeO2 thin films are fabricated by thermal evaporation in ultra-high vacuum, and their morphological properties are described using X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectrometry measurements, as a function of deposition and annealing conditions. The conditions for the appearance of two distinct crystalline phases are explained. The rehabilitation of the deposition system is described and documented. At the same time, TeO2 as well as SiO2 substrates are implanted with erbium ions. Rutherford backscattering spectrometry is used to characterize the impact of the implantation, showing the repair of the crystal lattice after annealing. A photoluminescence setup was assembled and optimized to observe the optical properties of the implanted ions. No signal could be measured on the samples.