Studium elektrického pole v detektorech záření pomocí Pockelsova jevu

Studium elektrického pole v detektorech záření pomocí Pockelsova jevu (Diplomová práce) by Michael Hakl Abstract Kadmium telurid (CdTe) se zdá být vhodným kandidátem pro de- tekci rentgenového a gamma záření za pokojové teploty díky gapové energii 1.5 eV a vysokému atomovému číslu. CdTe ve své podstatě představuje Pockelsovu celu, neboť vykazuje vysoký elektro-optický koeficient. Propustnost krystalu je modulována vnitřním elektrickým polem. Zpracováním obrázků pořízených IČ kamerou získáme profily elektrického pole rozprostřeného mezi elektrodami. Pole ve vysokood- porovém CdTe je ovlivněno pastmi položenými hluboko v zakázaném pásu, jež způsobují hromadění náboje v blízkosti elektrod. Obsazení těchto pastí je závislé na rozhraní mezi kovem a polovodičem. Vz- tah mezi polarizací detektoru a zahnutím pásu byl podroben studiu pro zlatý a indiový kontakt. Byla pozorována repolarizace resp. de- polarizace pole po osvětlení podgapovým a nadgapovým excitačním laserem. Tento efekt byl využit pro stanovení energie hluboké hladiny. Výsledky z měření Pockelsovou metodou byly porovnány se spektry z luminiscenční spektroskopie, kde se zjistila korelace mezi přítomností hlubokých pastí a bodových defektů na povrchu. Klíčová slova: CdTe detektor, Pockelsův elektro-optický jev, elek- trické pole, hluboké hladiny,...Study of electric field in radiation detectors by Pockels effect (Master Thesis) by Michael Hakl Abstract Cadmium Telluride (CdTe) is a convenient candidate for room tem- perature detection of X-ray and gama radiation due to 1.5 eV band- gap energy and high atomic mass. Since CdTe has the highest linear electro-optical coefficient among II-VI compounds, the detector rep- resents a Pockels cell. Transmittance of the crystal is modulated by the internal electric field. Processing of infrared camera photographs results in an electric field profile between biasing electrodes. The elec- tric field in semi-insulting CdTe is influenced with deep level traps causing charge polarization under the electrodes. Occupation of traps is dependent on metal-semiconductor interface. Relation of charge accumulation and band bending for gold and indium contacts was studied. Repolarization/depolarization induced by additional illumi- nation with sub/above bandgap excitation laser was observed and ex- ploited for determination of the deep level energy. Results obtained by the Pockels-effect method were supported with luminescence measure- ments. Correlation between the occurrence of deep levels and surface point defects was discovered. Keywords: Pockels electro-optical effect, Cadmium Telluride ra- diation detector, Electric field, Schottky...Fyzikální ústav UKInstitute of Physics of Charles UniversityMatematicko-fyzikální fakultaFaculty of Mathematics and Physic

Studium vlastností heterostrukturních tenkých vrstev křemíku s nanometrovým rozlišením

Department of Condensed Matter PhysicsKatedra fyziky kondenzovaných látekFaculty of Mathematics and PhysicsMatematicko-fyzikální fakult

Studium elektrického pole v detektorech záření pomocí Pockelsova jevu

Study of electric field in radiation detectors by Pockels effect (Master Thesis) by Michael Hakl Abstract Cadmium Telluride (CdTe) is a convenient candidate for room tem- perature detection of X-ray and gama radiation due to 1.5 eV band- gap energy and high atomic mass. Since CdTe has the highest linear electro-optical coefficient among II-VI compounds, the detector rep- resents a Pockels cell. Transmittance of the crystal is modulated by the internal electric field. Processing of infrared camera photographs results in an electric field profile between biasing electrodes. The elec- tric field in semi-insulting CdTe is influenced with deep level traps causing charge polarization under the electrodes. Occupation of traps is dependent on metal-semiconductor interface. Relation of charge accumulation and band bending for gold and indium contacts was studied. Repolarization/depolarization induced by additional illumi- nation with sub/above bandgap excitation laser was observed and ex- ploited for determination of the deep level energy. Results obtained by the Pockels-effect method were supported with luminescence measure- ments. Correlation between the occurrence of deep levels and surface point defects was discovered. Keywords: Pockels electro-optical effect, Cadmium Telluride ra- diation detector, Electric field, Schottky..

Etudes magnéto-optiques de matériaux lamellaires avec des bandes électroniques non conventionnelles

The use of the Dirac/Weyl equation leads to a conceptual simplification in a description of the band structure in solids at low energy scales. In particular, electron-hole excitations can be regarded as an analogue to the relativistic case with several expected phenomena to be observed in the condensed systems such as a suppressed back-scattering, linear optical conductivity or the manifestation of the Fermi arcs and particle's chirality. Moreover, the semimetallic phase also symbolizes a boundary between the trivial and topological insulators and thus play a crucial role for the material classification. The size of the gap qualitatively affects the type of the energy dispersion by a continuous crossover from the linear to parabolic bands. This fact can be easily understood as a classical or ultra-relativistic limit of the motion of a free massive particle.Infrared Fourier transform spectroscopy is a unique technique for studying optical excitations in a wide range of energies and it represents in combination with the high magnetic field a powerful tool for probing electronic structure and overcomes the main obstacle of the gapless systems that is a strong doping due to the structural disorder.The first part of the work is devoted to cadmium arsenide, where we elaborate an approach to qualitatively distinguish between the Dirac and Kane systems that was used to prove on the basis of the observed magneto-optical response the realization of the nearly gapless Kane model with a striking similarity to HgCdTe, contradicting the existence of purely Dirac cones. The magneto-reflectivity revealed a strong splitting of the plasma edge that turns into the cyclotron resonance characteristic by a squareroot-of-B dependence in the high magnetic field with a particular behaviour in the quantum limit independent on the initial Fermi level. In contrast, the magneto-transmission revealed interband Landau level transitions that could be only interpreted as a flat-to-cone type in order to preserve a full consistency of the model. The Dirac cones predicted by theory are feasible to coexist within the Kane model in the form of a substructure described by the Bodnar model that approximates the complex crystal structure by a simple antifluorite cell, which allows to use the conventional k.p-theory.In the second part, we focus on bismuth selenide entitled as an archetypal 3D topological insulator. We study a peculiar condition fulfilled for the BHZ-hamiltonian that brings intriguing properties such as an unusual relation of the spin gap and cyclotron resonance, the specific pinning between fancharts of Landau subsets or the compensated g-factors of the conduction and valence bands. The photoluminescence measurements showed a direct-gap emission, that gives a new insight to the widely accepted structure from ARPES data, where the declared camel-back structure of the valence band needs to be explained within the surface confinement and the Dirac point of the surface state should be repositioned with respect to the bulk bands. The magneto-optical response can be fully explained in a classical picture of the Pauli paramagnetism as a purely occupational effect. Such behaviour is evinced in the transmission as a gradual splitting of the interband absorption edge with a successive saturation due to the partial or total spin polarization of electrons. The related dichroism drives also a strong linear Faraday rotation described by a simple model of the Verdet constant that depends only on the Fermi level.L'utilisation de l'équation de Dirac/Weyl conduit à une simplification conceptuelle dans une description de la structure de la bande dans les solides à faible échelle d'énergie. En particulier, les excitations d'électrons-trous peuvent être considérées comme analogues au cas relativiste tel que conductivité optique linéaire, le suppression de backscattering ou la manifestation des arcs de Fermi et la chiralité des particules. En outre, la phase semi-métallique est également un élément crucial pour la classification des matériaux. La taille de le gap est affectée qualitativement par le type de dispersion d'énergie par un croisement continu des bandes linéaires à paraboliques. Cela peut être compris comme une limite classique ou ultra-relativiste du mouvement d'une particule massive.La spectroscopie infrarouge de la transformation de Fourier est une technique unique pour étudier les excitations optiques dans une large gamme d'énergies et représente en combinaison avec le champ magnétique élevé un outil puissant pour sondage de la structure électronique et surmonte le principal obstacle des systèmes sans gap qui est un dopage fort en raison de désordre structurel.La première partie du travail est consacrée à l'arséniure de cadmium, où nous élaborons une approche de distinction qualitative entre les systèmes Dirac et Kane qui ont été utilisés pour prouver sur la base de la réponse magnéto-optique observée la réalisation du modèle Kane presque sans gap avec une similitude frappante avec HgCdTe, en contradiction avec l'existence de cônes purement Dirac. La magnéto-réflectivité dans un champ magnétique à champ élevé la résonance cyclotron caractéristiques par un radical-B dépendance avec un comportement particulier dans la limite quantique. En revanche, la magnéto-transmission montrait des transitions de niveau Landau qui doit être interprétées que comme un type plat-à-cône afin de préserver une cohérence totale du modèle. Les cônes de Dirac prédits par la théorie sont susceptibles de coexister dans le modèle de Kane sous la forme d'une sous-structure décrite par le modèle de Bodnar qui se rapproche de la structure cristalline complexe par une simple cellule antifluorite qui permet d'utiliser la théorie du k.p classique.Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur le bismuth comme isolant topologique 3D archétype. Nous étudions une condition particulière obéie pour le BHZ-hamiltonien qui apporte des propriétés intriguantes comme une relation inhabituelle de spin gap et la résonance du cyclotron, l'épinglage spécifique entre les fancharts des sous-groupes Landau ou les g-facteurs compensés dans les bandes de conduction et de valence. Les mesures de photoluminescence ont montré une émission directgap, ce qui donne un nouvel aperçu de la structure largement acceptée à partir des données ARPES, où la “chameau structure” de la bande de valence doit être expliquée dans le confinement de surface et le point de Dirac de l'état de surface doit être repositionné par rapport aux bandes en bulk. La réponse magnéto-optique peut être pleinement expliquée dans une image classique du paramagnétisme de Pauli comme un simple effet d'occupation. Un tel comportement se manifeste dans la transmission en tant que fractionnement progressif du bord d'absorption interbande avec une saturation successive due à la polarisation spin partielle ou totale des électrons. Le dichroïsme relatif entraîne également une forte rotation de Faraday linéaire décrite par un modèle simple de la constante Verdet qui ne dépend pas sur le niveau de Fermi

Studium elektrického pole v detektorech záření pomocí Pockelsova jevu

Study of electric field in radiation detectors by Pockels effect (Master Thesis) by Michael Hakl Abstract Cadmium Telluride (CdTe) is a convenient candidate for room tem- perature detection of X-ray and gama radiation due to 1.5 eV band- gap energy and high atomic mass. Since CdTe has the highest linear electro-optical coefficient among II-VI compounds, the detector rep- resents a Pockels cell. Transmittance of the crystal is modulated by the internal electric field. Processing of infrared camera photographs results in an electric field profile between biasing electrodes. The elec- tric field in semi-insulting CdTe is influenced with deep level traps causing charge polarization under the electrodes. Occupation of traps is dependent on metal-semiconductor interface. Relation of charge accumulation and band bending for gold and indium contacts was studied. Repolarization/depolarization induced by additional illumi- nation with sub/above bandgap excitation laser was observed and ex- ploited for determination of the deep level energy. Results obtained by the Pockels-effect method were supported with luminescence measure- ments. Correlation between the occurrence of deep levels and surface point defects was discovered. Keywords: Pockels electro-optical effect, Cadmium Telluride ra- diation detector, Electric field, Schottky..

Etudes magnéto-optiques de matériaux lamellaires avec des bandes électroniques non conventionnelles

The use of the Dirac/Weyl equation leads to a conceptual simplification in a description of the band structure in solids at low energy scales. In particular, electron-hole excitations can be regarded as an analogue to the relativistic case with several expected phenomena to be observed in the condensed systems such as a suppressed back-scattering, linear optical conductivity or the manifestation of the Fermi arcs and particle's chirality. Moreover, the semimetallic phase also symbolizes a boundary between the trivial and topological insulators and thus play a crucial role for the material classification. The size of the gap qualitatively affects the type of the energy dispersion by a continuous crossover from the linear to parabolic bands. This fact can be easily understood as a classical or ultra-relativistic limit of the motion of a free massive particle.Infrared Fourier transform spectroscopy is a unique technique for studying optical excitations in a wide range of energies and it represents in combination with the high magnetic field a powerful tool for probing electronic structure and overcomes the main obstacle of the gapless systems that is a strong doping due to the structural disorder.The first part of the work is devoted to cadmium arsenide, where we elaborate an approach to qualitatively distinguish between the Dirac and Kane systems that was used to prove on the basis of the observed magneto-optical response the realization of the nearly gapless Kane model with a striking similarity to HgCdTe, contradicting the existence of purely Dirac cones. The magneto-reflectivity revealed a strong splitting of the plasma edge that turns into the cyclotron resonance characteristic by a squareroot-of-B dependence in the high magnetic field with a particular behaviour in the quantum limit independent on the initial Fermi level. In contrast, the magneto-transmission revealed interband Landau level transitions that could be only interpreted as a flat-to-cone type in order to preserve a full consistency of the model. The Dirac cones predicted by theory are feasible to coexist within the Kane model in the form of a substructure described by the Bodnar model that approximates the complex crystal structure by a simple antifluorite cell, which allows to use the conventional k.p-theory.In the second part, we focus on bismuth selenide entitled as an archetypal 3D topological insulator. We study a peculiar condition fulfilled for the BHZ-hamiltonian that brings intriguing properties such as an unusual relation of the spin gap and cyclotron resonance, the specific pinning between fancharts of Landau subsets or the compensated g-factors of the conduction and valence bands. The photoluminescence measurements showed a direct-gap emission, that gives a new insight to the widely accepted structure from ARPES data, where the declared camel-back structure of the valence band needs to be explained within the surface confinement and the Dirac point of the surface state should be repositioned with respect to the bulk bands. The magneto-optical response can be fully explained in a classical picture of the Pauli paramagnetism as a purely occupational effect. Such behaviour is evinced in the transmission as a gradual splitting of the interband absorption edge with a successive saturation due to the partial or total spin polarization of electrons. The related dichroism drives also a strong linear Faraday rotation described by a simple model of the Verdet constant that depends only on the Fermi level.L'utilisation de l'équation de Dirac/Weyl conduit à une simplification conceptuelle dans une description de la structure de la bande dans les solides à faible échelle d'énergie. En particulier, les excitations d'électrons-trous peuvent être considérées comme analogues au cas relativiste tel que conductivité optique linéaire, le suppression de backscattering ou la manifestation des arcs de Fermi et la chiralité des particules. En outre, la phase semi-métallique est également un élément crucial pour la classification des matériaux. La taille de le gap est affectée qualitativement par le type de dispersion d'énergie par un croisement continu des bandes linéaires à paraboliques. Cela peut être compris comme une limite classique ou ultra-relativiste du mouvement d'une particule massive.La spectroscopie infrarouge de la transformation de Fourier est une technique unique pour étudier les excitations optiques dans une large gamme d'énergies et représente en combinaison avec le champ magnétique élevé un outil puissant pour sondage de la structure électronique et surmonte le principal obstacle des systèmes sans gap qui est un dopage fort en raison de désordre structurel.La première partie du travail est consacrée à l'arséniure de cadmium, où nous élaborons une approche de distinction qualitative entre les systèmes Dirac et Kane qui ont été utilisés pour prouver sur la base de la réponse magnéto-optique observée la réalisation du modèle Kane presque sans gap avec une similitude frappante avec HgCdTe, en contradiction avec l'existence de cônes purement Dirac. La magnéto-réflectivité dans un champ magnétique à champ élevé la résonance cyclotron caractéristiques par un radical-B dépendance avec un comportement particulier dans la limite quantique. En revanche, la magnéto-transmission montrait des transitions de niveau Landau qui doit être interprétées que comme un type plat-à-cône afin de préserver une cohérence totale du modèle. Les cônes de Dirac prédits par la théorie sont susceptibles de coexister dans le modèle de Kane sous la forme d'une sous-structure décrite par le modèle de Bodnar qui se rapproche de la structure cristalline complexe par une simple cellule antifluorite qui permet d'utiliser la théorie du k.p classique.Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur le bismuth comme isolant topologique 3D archétype. Nous étudions une condition particulière obéie pour le BHZ-hamiltonien qui apporte des propriétés intriguantes comme une relation inhabituelle de spin gap et la résonance du cyclotron, l'épinglage spécifique entre les fancharts des sous-groupes Landau ou les g-facteurs compensés dans les bandes de conduction et de valence. Les mesures de photoluminescence ont montré une émission directgap, ce qui donne un nouvel aperçu de la structure largement acceptée à partir des données ARPES, où la “chameau structure” de la bande de valence doit être expliquée dans le confinement de surface et le point de Dirac de l'état de surface doit être repositionné par rapport aux bandes en bulk. La réponse magnéto-optique peut être pleinement expliquée dans une image classique du paramagnétisme de Pauli comme un simple effet d'occupation. Un tel comportement se manifeste dans la transmission en tant que fractionnement progressif du bord d'absorption interbande avec une saturation successive due à la polarisation spin partielle ou totale des électrons. Le dichroïsme relatif entraîne également une forte rotation de Faraday linéaire décrite par un modèle simple de la constante Verdet qui ne dépend pas sur le niveau de Fermi

Landau level spectroscopy of the PbSnSe topological crystalline insulator

International audienceWe report on an infrared magnetospectroscopy study of Pb 1−x Sn x Se, a topological crystalline insulator. We have examined a set of samples, all in the inverted regime of electronic bands, with the tin composition varying from x = 0.2 to 0.33. Our analysis shows that the observed response, composed of a series of interband inter-Landau-level excitations, can be interpreted and modeled using the relativistic-like Hamiltonian for threedimensional massive Dirac electrons, expanded to include diagonal quadratic terms that impose band inversion. In our data, we have not found any clear signature of massless electron states that are present on the surface of Pb 1−x Sn x Se crystals in the inverted regime. Reasons for this unexpected result are discussed

A four-coordinate cobalt(II) single-ion magnet with coercivity and a very high energy barrier

Single-molecule magnets display magnetic bistability of molecular origin, which may one day be exploited in magnetic data storage devices. Recently it was realised that increasing the magnetic moment of polynuclear molecules does not automatically lead to a substantial increase in magnetic bistability. Attention has thus increasingly focussed on ions with large magnetic anisotropies, especially lanthanides. In spite of large effective energy barriers towards relaxation of the magnetic moment, this has so far not led to a big increase in magnetic bistability. Here we present a comprehensive study of a mononuclear, tetrahedrally coordinated cobalt(II) single-molecule magnet, which has a very high effective energy barrier and displays pronounced magnetic bistability. The combined experimental-theoretical approach enables an in-depth understanding of the origin of these favourable properties, which are shown to arise from a strong ligand field in combination with axial distortion. Our findings allow formulation of clear design principles for improved materials.ISSN:2041-172