CARACTÉRISATION DES COUCHES MINCES

Les effets magnéto-optiques (MO) sont utilisés comme outil pour investiguer les caractéristiques magnétiques d’un grand nombre d’échantillons, ou comme une manière efficace de modifier la polarisation de la lumière par la magnétisation induite dans certains échantillons. Dans des échantillons transparents, l’effet Faraday (rotation la polarisation de la lumière proportionnelle à la magnétisation induite et au chemin optique dans le matériau), peut être utilisé pour élaborer un système de rotation Faraday, un élément clef dans la conception d’isolateurs optiques (1). Avec d’autres effets MO comme les mesures de Kerr, ils fournissent une technique de caractérisation non destructive pour la mesure in-situ d’échantillons comme les couches minces.

La dépendance spectrale de l’effet MO Faraday dans la partie visible du spectre électromagnétique, ainsi que des mesures de dépendance en température ont été effectuées sur un semi-conducteur de 2 microns d’épicouche (GaP) avec des nanoclusters ferro-magnétiques intégrés (MnP). Les échantillons sont placés dans l’entrefer d’un électro aimant qui lui-même est situé à l’intérieur d’un cryostat équipé. Les mesures optiques sont réalisées à travers une fenêtre optique placée au niveau de l’entrefer de l’électro-aimant produisant un champ magnétique DC parallèle à la normale de l’échantillon. Cette géométrie confinée a rendu difficile l’utilisation d’une source lumineuse monochromatique produite par le filtrage d’une source de lumière incandescente avec un monochromateur standard. À la place, nous avons utilisé un laser accordable collimé basé sur une source supercontinuum Leukos (SP20) et le filtre laser accordable (LLTF) de Photon etc. La figure 1 présente le montage expérimental utilisé pour caractériser les propriétés MO du GaP:MnP dans la configuration Faraday. L’analyseur est monté sur une platine rotative motorisée pour permettre de mesurer l’extinction optique en fonction de la température, longueur d’onde et champ magnétique appliqué. Des courbes d’hystérésis ont été obtenues en tournant l’analyseur de 45 degrés par rapport au polariseur et en balayant le champ magnétique entre -400 et 400mT. Les faibles angles de rotation assurent une variation linéaire dans l’intensité transmise en fonction de l’angle de rotation de la polarisation, ou du champ magnétique appliqué. La source de l’électro-aimant, le contrôleur de température du cryostat, la position angulaire de l’analyseur et la sélection de la longueur d’onde de sortie du laser (par l’intermédiaire du filtre laser accordable de Photon etc.) sont tous contrôlés par ordinateur. L’angle de rotation doit être obtenu indépendamment pour chaque champ magnétique, longueur d’onde et température.

La rotation Faraday totale de l’épicouche en fonction de la longueur d’onde à une température de 220K est présentée à la figure 2. La contribution des porteurs libres du substrat GaP a été soustraite. L’épicouche GaP:MnP produit un effet MO maximum dans le proche infra-rouge alors que le substrat a une décroissance monotone de l’effet MO quand la longueur d’onde est augmentée. La figure montre les courbes d’hystérésis de rotation Faraday à 210K, 270K et 290K à 655nm. La rotation Faraday géante dans ces systèmes a été rapportée par Monette et al. (2). Le laser accordable nous a permis d’investiguer la signature d’hystérésis de l’effet MO Faraday à différentes longueurs d’onde ainsi qu’à différentes températures, le tout dans un espace de travail restreint et difficile d’accès.

Références

1 T. R. Zaman, X. Guo and R. J. Ram,
Semiconductor Waveguide Isolators, Journal of Lightwave Technology, 26, 2, (2008)

2 G. Monette, C. Lacroix, S. Lambert-Milot, V. Boucher, D. Ménard and S. Francoeur,
Giant magneto-optical Faraday effect in GaP epilayers containing MnP magnetic nanoclusters,
Journal of Applied Physics, 107, 9, (2010)