Resumo: Esta tese é dedicada ao estudo das propriedades ópticas lineares e não-lineares de vidros dopados com Pontos Quânticos (PQ) de PbTe. O interesse nesse tipo de vidro ocorre devido às altas e ultra-rápidas, não-linearidades obtidas com o confinamento quântico. O uso do PbTe é importante para que o pico de absorção ocorra na região de 1300nm a 1500nm utilizada em comunicações ópticas. As técnicas espectroscópicas lineares utilizadas nesse trabalho foram: absorção óptica, fotoluminescência (PL), fotoluminescência de excitação (PLE), estreitamento da linha de fluorescência (FLN) e absorção com pressão uniaxial. Também usamos uma técnica não linear, estudos de bombeio&prova, para obter a variação da absorção com resolução de femtossegundos. Dos estudos lineares obtivemos o comportamento do confinamento quântico em função da temperatura e da pressão, uma estimativa dos alargamentos homogêneo e inomogêneo e observamos uma quebra da linha de absorção do estado fundamental. Essa quebra foi atribuída à presença de "stress-strain" devido ao descasamento dos coeficientes de dilatação térmica PQ/matriz vítrea. Ao contrário dos semicondutores II-VI da família CdX que têm o "band gap" no ponto G da zona de Brillouin, a família PbX tem o "band gap" no ponto L e é 4 vezes degenerado, degenerescência conhecida como 'estrela¿. Efeitos de "stress-strain" podem levantar essa degenerescência estrela e quebrar as linhas de absorção. O máximo da absorção em função da temperatura segue uma reta com inclinação negativa. A inclinação dessa reta é bem menor do que a prevista pelos modelos de confinamento utilizados com a inclusão da dependência dos parâmetros do "gap" em função da temperatura. O "Stokes Shift" observado entre o "band edge" nos experimentos de absorção e luminescência pode ser explicado pelos efeitos de renormalização do "band gap" (BGR ¿ "Band Gap Renormalization") devidos à alta concentração de portadores no PQ (representada por apenas um par elétron-buraco). Os experimentos de PLE e FLN mostraram uma estrutura separada do comprimento de onda de bombeio de 15meV, que pode ser atribuída a uma réplica do fônon LO. No experimento de bombeio&prova conseguimos observar, além dos aspectos usuais de uma variação da absorção que se recupera em um tempo da ordem de 100ps, o aparecimento de uma modulação oscilatória. Essa modulação é devida à geração de fônons acústicos coletivos coerentes que oscilam em um modo denominado 'modos de respiração¿ ou "breathing modes". Estes modos de oscilação já haviam sido observados por espectroscopia Raman, mas não em experimentos de bombeio&prova. Os "breathing modes" são excitados pela 'pressão de confinamento¿ dos portadores fotocriados e só são observados em materiais que apresentam degenerescência dos níveis de energia, pois do contrário a transição estaria bloqueada pela presença dos portadores. A excitação destes modos faz oscilar o tamanho dos PQ mudando o confinamento. Essa variação da energia dos níveis faz com que o feixe de prova entre e saia de ressonância, modulando a transmissão. A freqüência dos "breathing modes" depende do tamanho dos PQ. Os dados experimentais mostram uma boa concordância com o modelo teórico de modos normais de oscilação de uma inclusão esférica em um meio elástico infinito. Nossa análise foi capaz de explicar a freqüência, a fase, o amortecimento e a amplitude das oscilações assim como a forma de excitação e observação da oscilação em função do tamanho dos PQ. Finalmente, desenvolvemos um cálculo teórico para descrever os níveis de energia de PQ de PbTe incorporando efeitos de anisotropia de banda. Para isto retiramos a aproximação esférica de um modelo de Kang&Wise para os níveis de energia e resolvemos o problema diretamente. Nossos resultados mostraram o papel da anisotropia nos níveis confinados e como ela mistura os estados excitados. As correções obtidas são pequenas para PQ de PbS e PbSe, que têm um fator de anisotropia de 3:1, mas apreciáveis para PbTe, cujo fator é de 10:1. Com esse cálculo, o mais completo que pode ser feito dentro de um formalismo k · ¯p, podemos também resolver o problema de pontos quânticos elipsoidais. Os resultados do modelo foram utilizados em nossas interpretações dos resultados experimentais Ver menos

Abstract: This thesis is dedicated to the study of linear and non-linear properties of PbTe quantum dot (QD) doped glasses. These glasses attract interest because of the high, ultra fast non-linearity obtained with quantum confinement. The choice of PbTe is because of its absorption peak occurs in the 1300nm to 1500nm region used in optic communications. The linear spectroscopic techniques used in this work were optical absorption, photoluminescence (PL), photoluminescence of excitation (PLE), fluorescence line narrowing (FLN) and absorption under uniaxial pressure. We have also used pump&probe, a non-linear technique, in order to obtain the absorption change with femtoseconds resolution. From the linear studies we have obtained the quantum confinement behavior dependence on the temperature and pressure, an estimative of the homogeneous and inhomogeneous widths and observed a line shape break in the ground state. This break was attributed to the presence of stress-strain due to the mismatch of the thermal dilatation coefficient between the QD and glass. Differently from the CdX family II-VI semiconductors, which have the band gap on the G point of the Brillouin zone, the PbX family has the band gap located in the G point with four-folded degeneracy, also known as star degeneracy. Stress-strain effects can break this star degenerescency and break up the absorption line. The absorption maximum in function of the temperature follows a negative sloped straight line. This slope is much smaller than predicted by the confinement models used with the inclusion of the temperature dependency of the gap parameters. The observed Stokes shift between the band edge of the absorption and luminescence experiments can be explained by band gap renormalization (BGR) effects, due to the high carrier concentration on the QD (represented by one electron-hole pair). The PLE and FLN experiments have showed a structure separated from the pump wavelength by 15meV which can be attributed to a LO phonon replica. In the pump and probe experiment we could observe, besides of the common aspects of an absorption change recovering in about 100ps, the occurrence of an oscillatory modulation. This modulation is due to the generation of coherent acoustical collective phonons that oscillate in the so called 'breathing modes¿. These modes had been observed by Raman spectroscopy before, but never by pump&probe experiments. The breathing modes are excited by the confinement pressure of the photo created carriers and are only observed in materials with degenerate energy levels, because otherwise the transition would be blocked by the presence of the carriers. The excitation of these modes makes the probe beam go in and out of resonance, modulating the transition. The breathing modes frequency depends on the QD size. Experimental data show a good agreement with the theoretical model of normal modes of oscillation of a spherical inclusion in an infinite media. Our analysis could explain the frequency, phase, damp and amplitude of oscillations as well as the excitation and observation mechanisms in function of the QD sizes. Finally, we have developed a theoretical calculus to describe the energy levels of the PbTe QD including band anisotropy effects. To this we have taken the spherical approximation of Kang&Wise model and solved the problem directly. Our results showed the role of anisotropy on the confined levels and how it mixes the excited states. The obtained corrections are small for PbS and PbSe QD, which have an anisotropy factor of 3:1, but are considerable for PbTe, whose factor is 10:1. With this calculus, the most complete that can be performed under ' k · ¯p formalism, we can also solve the problem of ellipsoidal QD. The model results were used in the interpretation of our experimental data Ver menos