Photoluminescence of Isotopically Purified Germanium

Le germanium a émergé comme une plateforme prometteuse pour les technologies quantiques, avec des applications allant des points quantiques aux qubits de spin, en raison de ses hautes mobilités de charge et de son couplage spin-orbite intrinsèquement important. Cette thèse présente une investigation complète de la photoluminescence (PL) indirecte dans le germanium naturel de haute pureté, culminant avec une analyse détaillée des effets isotopiques dans des échantillons isotopiquement purifiés de 72Ge, 73Ge, 74Ge et 76Ge. La fondation de cette recherche a été établie grâce à une optimisation méticuleuse de l’appareillage expérimental. Une percée critique a été réalisée en résolvant les décalages d’alignement induits par le spectromètre, réduisant les décalages du plan focal du détecteur de plus de 100 µm à moins de 3 µm sur la gamme 0-3000 nm. Étant donné la nécessité de coupler le signal PL dans une fibre optique avec un MFD de 8 µm, cette amélioration de stabilité d’un facteur 30 a permis les mesures de haute qualité qui sous-tendent toutes les analyses subséquentes. Un cadre théorique complet pour les formes de raies de PL indirecte a été développé et rigoureusement validé, englobant toutes les contributions connues incluant la densité d’états jointe, la structure fine de l’état fondamental excitonique, les corrections de non-parabolicité des bandes, l’élargissement collisionnel, et les effets instrumentaux. Le modèle a permis la détermination précise de la séparation énergétique de l’état fondamental excitonique comme ∆E = 0, 77 ±0, 05 meV par ajustement spectral direct, avec une validation indépendante par dépendance en température donnant ∆E = 0, 7 ± 0, 2 meV. Une avancée théorique significative a été réalisée en identifiant le mécanisme d’élargissement collisionnel dominant. Par une analyse systématique, ce travail a démontré de manière concluante que l’élargissement collisionnel est principalement causé par les interactions exciton-porteur libre plutôt que par les collisions exciton-exciton, contredisant directement la littérature établie.