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Chapitre 5   Magnéto-optique des nanocristaux de Cd1-yMnyS

5.1   Principe

Pour observer l'effet Zeeman (Cf. Chapitre 2.2.2.3), il est nécessaire de baisser la température des échantillons et de les soumettre à un champ magnétique important pour permettre l'alignement des spins du manganèse, car, à haute température, l'agitation thermique est prédominante. Les interactions d'échange entre ions manganèse augmentent quand la température décroît et donc, à une température très basse, seuls les ions restés isolés peuvent interagir avec l'exciton.
A partir de l'equation 2.2.2.3 il est, en théorie, possible de déterminer le splitting Zeeman pour des nanocristaux de Cd1-yMnyS. la valeur de <Sz> peux être déterminée à partir des travaux de Nicolas Feltin[18, 84, 85], par contre la valeur de (a-b) n'est pas facile à déterminer pour des nanoparticules, on sait seulement qu'elle doit être plus importante que celle du Cd1-yMnyS à l'état massif (Cf. Chap. 2.2.2.3). Si à partir de cette formule l'on calcule la valeur du splitting Zeeman avec les valeurs de (a-b) pour le Cd1-yMnyS à l'état massif on obtient un splitting de: D E(H) =40 meV, cette valeur est assez faible, mais reste detectable par un spectrophotomètre classique.

5.2   Résultats

Pour stabiliser les particules et permettre leur utilisation à très basse température, elles sont encapsulées dans du PMMA juste après extraction. Cette procédure nous donne des pastilles optiquement claires à température ambiante et même à 5 K.
Les expériences ont été réalisées sur des nanoparticules de 3 nm avec 15% de manganèse synthétisées suivant la procédure I et de 4 nanomètres avec 13% et 9% de manganèse synthétisées suivant la procédure II (Cf Chapitre 4.2.1).
Pour ces échantillons aucune différence entre les spectres pris à 5K avec et sans champ magnétique (jusqu'à 6 Tesla) n'est observée. (Figure 5.1)


Figure 5.1 : Absorption optique de Cd(0.85)Mn(0.15)S de 3nm et de Cd(0.87)Mn(0.13)S de 4 nm à 5K sans champ et avec champ de 6 Tesla appliqué à 5K

Il est probable que les interactions Mn-Mn soient tellement importantes qu'il est impossible d'observer le splitting Zeeman. En effet à très basse température les ions manganése sont en interaction antiferromagnétique et cette interaction est trés forte. Pour cette raison on ne peut plus retourner les spins afin de les aligner, même lorsque l'on applique un champ magnétique très important.
Comme il a été prcédemment montré par RPE, par Nicolas Feltin[18, 85], les interactions Mn-Mn sont largement supérieures pour les nanoparticules que pour le matériau massif et donc la plupart des ions Mn2+ doivent être en interaction (antiferromagnétique) à une température de 5K. Afin de vérifier ces hypothèses, il est nécessaire d'effectuer une autre expérience (schématisée dans la figure 5.2): elle consiste à appliquer le champ magnétique à haute température (typiquement 160K), où les interactions Mn-Mn sont suffisamment faibles pour permettre l'alignement des spins par le champ magnétique et de diminuer ensuite la température.


Figure 5.2 : Principe de l'expérience

Les résultats pour les trois échantillons étudiés sont présentés dans la Figure 5.3 et 5.4: il n'existe presque pas de différence.
En effet un petit élargissement du spectre à 6 Tesla pour les spectres des nanoparticules de 4nm peut être observé.


Figure 5.3 : Absorption optique de Cd(0.85)Mn(0.15)S de 3nm sans champ et avec champ de 6 Tesla appliqué à 160K




Figure 5.4 : Absorption optique de Cd(0.87)Mn(0.13)S (haut) et Cd(0.91)Mn(0.09)S (bas) de 4nm sans champ et avec champ de 6 Tesla appliqué à 160K

Le fait que l'on n'obtient presque pas de différence entre les spectres sans et avec champ magnétique, même appliqué à haute température peut être dû à différentes causes:
Pour résoudre le premier problème, nous avons polarisé la lumière, afin que seule une partie des transitions entre les niveaux splittés par l'effet Zeeman soit permise. Le fait de polariser la lumière incidente est assez contraignant car l'intensité des spectres est faible. Dans le meilleur des cas nous pensions diviser le signal par deux, mais dans la pratique c'est plutôt par 3-4 fois. Cette expérience a été réalisée avec un échantillon de 4nm et 13% de manganèse. Les spectres étaient très bruités, donc difficiles à exploiter, mais on ne décèle aucune différence. (Cf Fig. 5.5). En Figure 5.5 la configuration est de type voigt (le champ électrique de la lumière est parallèle au champ magnétique externe). La même expérience a été réalisée pour une configuration de type faraday (le champ électrique de la lumière est perpendiculaire au champ magnétique externe). Les résultats pour les deux polarisations étant identiques, pour plus de clareté, un seul a été presenté en Figure 5.5.


Figure 5.5 : Absorption optique de Cd(0.87)Mn(0.13)S de 4nm sans champ et avec champ de 6 Tesla appliqué à 160K, avec une lumière polarisée parallèlement au champ magnétique externe

5.3   Conclusion

Dans ce chapitre nous avons décrit les expériences de magnéto-optique réalisées sur des nanoparticules de Cd1-yMnyS, synthétisées en système micellaire inverse, de 3 et 4 nm, pour plusieurs concentrations en manganèse.
Les spectres d'absorption optique ne montrent pas d'effet du champ magnétique appliqué sur la position de l'exciton, même lorsqu'il est appliqué à haute température (160° K). Ceci peut être expliqué par trois effets:
  1. Dans les nanoparticules de Cd1-yMnyS les interactions Mn-Mn sont beaucoup plus importantes que dans le même matériau à l'état massif. Ceci a pour effet de diminuer le splitting Zeeman de l'exciton.
  2. Les nanoparticules sont orientées aléatoirement dans la matrice de PMMA. Il est donc possible d'observer toutes les transitions permises entre les niveaux électroniques créés par l'effet Zeeman. Ceci va diminuer l'effet du splitting Zeeman sur les spectres d'absorption.
  3. La polydispersité en taille et en composition provoque un élargissement du spectre total dû à la superposition des spectres d'absorption des particules de taille différente.
En conclusion, ces trois effets provoquent une trop importante superposition des spectres d'absorption des particules de taille différente ce qui rend les spectres avec et sans champ magnétique pratiquement superposables.
Afin de pouvoir observer cet effet, il est probable que l'on soit obligé de réaliser ce type d'expérience sur une particule isolée pour s'affranchir de la polydispersité qui a pour effet d'élargir le spectre d'absorption et d'émission.

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