Combining Raman and pump-probe spectroscopies: unveiling electron-phonon coupling dynamics in semiconductor materials

This thesis explores a synergistic approach employing Raman spectroscopy and pump-probe (PP) spectroscopy, aiming at undestanding semiconductor material dynamics. Leveraging the complementary nature of these techniques in frequency-resolved and timeresolved analyses, respectively, we delve into their shared fundamental scattering mechanism, the Raman effect. The distinct feature of PP lies in its femtosecond-scale duration of the impulse, leading to the excitation of hot electrons and, in the eventuality that an electron-phonon (e-ph) coupling takes place, to the generation of coherent phonons (CP). The focal point of this study is a class of materials, tantalum doped titanium dioxide (TaTO), chosen due to intriguing blueshifts observed in the Eg(1) Raman active mode via Raman spectroscopy during variations in Ta doping (5% and 10%) suggesting a complex behaviour of electrons and phonons. In this context, the observed blueshift is rigorously analyzed using both Raman and PP measurements. While Raman spectroscopy provides evidence of the frequency shift, PP spectroscopy allows an exploration of the changes in optical properties modulated by both the incoherent electronic response and the coherent lattice vibrations, proving the presence of e-ph coupling even at high doping level. Moreover, PP allows us to have access to the phase informations of the oscillation of CP. Indeed, an interesting phase shift of π in the modulation of the signal appears in titanium dioxide and TaTO maps of PP transient transmittance. One can interpret this result considering that the Eg(1) vibrational mode directly modulates the binding energy, leading to the change in the extent of the optical gap. Beyond validating conventional Raman observations, the combined approach facilitates a profound exploration of materials' temporal dynamics, offering insights into intricate phenomena such as electron-phonon coupling. In exploring materials through coherent spectroscopy, compounds like Bismuth Telluride stand out as promising candidates for further investigation since it present composition-dependent vibrational properties.

Questa tesi esplora un approccio sinergico che impiega la spettroscopia Raman e la spettroscopia con pump-probe (PP), con l'obiettivo di comprendere le dinamiche dei materiali semiconduttori. Sfruttando la natura complementare di queste tecniche nelle analisi risolte in frequenza e nel tempo, rispettivamente, approfondiamo il loro condiviso meccanismo di scattering fondamentale, l'effetto Raman. La caratteristica distintiva del PP risiede nella durata dell'impulso su scala di femtosecondi, che porta all'eccitazione di elettroni caldi e, nell'eventualità che si verifichi un accoppiamento elettrone-fonone (e-ph), alla generazione di fononi coerenti (FC). Il punto focale di questo studio è una classe di materiali, il biossido di titanio drogato con tantalio (TaTO), scelto a causa degli intriganti blueshift osservati nel modo Raman-attivo Eg(1) tramite spettroscopia Raman variando il drogaggio di Ta (5% e 10%), che suggeriscono un comportamento complesso di elettroni e fononi. In questo contesto, il blueshift osservato viene analizzato rigorosamente utilizzando misure Raman e PP. Mentre la spettroscopia Raman fornisce la prova dello spostamento di frequenza, la spettroscopia PP permette di esplorare i cambiamenti nelle proprietà ottiche modulati sia dalla risposta elettronica incoerente sia dalle vibrazioni reticolari coerenti, dimostrando la presenza dell'accoppiamento e-ph anche a livelli di drogaggio elevati. Inoltre, la PP ci permette di accedere alle informazioni di fase dell'oscillazione di FC. Infatti, un interessante spostamento di fase di π nella modulazione del segnale appare nelle mappe del biossido di titanio e del TaTO della trasmittanza transitoria del PP. Si può interpretare questo risultato considerando che il modo vibrazionale Eg(1) modula direttamente l'energia di legame, portando alla variazione dell'estensione del gap ottico. Oltre a convalidare le osservazioni Raman convenzionali, l'approccio combinato facilita una profonda esplorazione delle dinamiche temporali dei materiali, offrendo approfondimenti su fenomeni intricati come l'accoppiamento elettrone-fonone. Nell'esplorazione dei materiali attraverso la spettroscopia coerente, composti come il tellururo di bismuto si distinguono come candidati promettenti per ulteriori indagini, poiché presentano proprietà vibrazionali dipendenti dalla composizione.