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Structure électronique auto-cohérente d'une surface traitée en liaisons fortes

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HAL Id: jpa-00209028

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Structure électronique auto-cohérente d’une surface traitée en liaisons fortes

H. Dreysse, R. Riedinger

To cite this version:

H. Dreysse, R. Riedinger. Structure électronique auto-cohérente d’une surface traitée en liaisons fortes.

Journal de Physique, 1981, 42 (3), pp.437-444. �10.1051/jphys:01981004203043700�. �jpa-00209028�

(2)

Structure électronique auto-cohérente d’une surface traitée en liaisons fortes

H. Dreysse et R. Riedinger

Equipe de Physique des Surfaces, ISEA, 4, rue des Frères-Lumière, 68093 Mulhouse Cedex, France (Reçu le 28 juillet 1980, accepté le 6 novembre 1980)

Résumé.

2014

Nous développons la structure de bandes auto-cohérente d’un cristal semi-infini dans l’approximation

des liaisons fortes. Nous discutons notamment les états propres du milieu semi-infini, et déterminons le profil des densités électroniques par la méthode des fonctions de Green. Nous appliquons le modèle au calcul du profil de

densité électronique d’un cristal cubique simple (100), dans le cas non dégénéré.

Nous discutons notamment du rôle dominant du potentiel dipolaire. Les variations de charge des électrons en

liaisons fortes donnent une contribution très faible à la couche dipolaire de surface.

Abstract.

2014

We develop the self-consistent band structure of a semi-infinite crystal in the tight-binding approxi-

mation. We discuss especially the eigenstates of the semi-infinite medium and we determine the electronic density distribution with a Green’s function method. We apply the model to the computation of the electronic density

distribution of simple cubic crystal with (100) surface, in the non-degenerate case. We discuss especially the domi-

nant role of the dipolar potential. The variations of self-consistent électron charges in T.B. give only a very small contribution to the surface dipolar layer.

Classification

Physics Abstracts

71.25P - 73.20

1. Introduction.

-

Lang et Kohn [1] ont résolu le problème de la densité électronique du « jellium »

de manière auto-cohérente. Le problème corres-

pondant en liaisons fortes n’est que partiellement

résolu : le potentiel dipolaire n’a jamais été pris en compte, et le seul modèle existant tenant compte de la neutralité globale est celui d’Allan [2], où le niveau

d’énergie du premier plan est ajusté de manière à réaliser cette neutralité.

Dans ce travail nous développons un modèle

pour la structure électronique d’un cristal semi-infini

en liaisons fortes, les charges sur les plans atomiques parallèles à la surface, sont calculées de manière auto-cohérente, et contraintes de vérifier la neutralité

globale (règle de Friedel [3]).

Dans une première partie, nous discutons les états propres du système (de surface notamment). Du fait

de la périodicité de translation parallèlement à la surface, le vecteur d’onde bidimensionnel ka, est un

bon nombre quantique. L’équation de Schrôdinger

se ramène à un système d’équations aux différences.

Dans une deuxième partie nous discutons de la fonction de Green associée au milieu semi-infini, qui peut être obtenue soit à partir de la connaissance des états propres, soit à partir d’une équation de Dyson.

Dans la pratique nous obtenons le milieu semi-infini relaxé électroniquement par le recollement exact d’un film et d’un milieu semi-infini non relaxé.

Dans une troisième partie, nous appliquons ce

modèle à une bande s dans un cristal semi-infini

cubique simple de surface (100).

2. Etats propres d’un milieu semi-infini en liaisons fortes.

-

Dans l’approximation des liaisons fortes, la fonction d’onde à un électron est une combinaison linéaire d’orbitales atomiques centrées sur les sites

|Â>

m dénote la symétrie des orbitales atomiques.

On négligera pour simplifier le recouvrement des fonctions d centrées sur des sites différents.

Au potentiel du réseau massif tronqué, s’ajoute,

du fait des transferts de charge causés par la surface

-

une contribution de Coulomb et d’échange intraatomique,

-

le potentiel dipolaire, généré par les contribu- tions coulombiennes intersites.

Les coefficients CjJ’ vérifient l’équation de Schrô- dinger (E - H) |03C8|> = 0 d’où :

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01981004203043700

(3)

438

où E est l’énergie propre,

a03BBm l’intégrale de dérive,

03B2mm’03BB03BB’ l’intégrale de résonance ( m03BB 1 H 1 m’ À’ >, eT représente le niveau atomique sur l’atome

dans l’approximation Hartree-Fock :

U et J sont respectivement les intégrales de Coulomb

et d’échanges intraatomiques, Vd(03BB) l’élément de matrice du potentiel dipolaire sur le site ;. (appenT

dice A), Q le spin de l’électron ; Q = 2013 03C3. Dans la

suite, nous nous limitons au cas paramagnétique.

Les sommations sur les sites Ïv, 1" sont limitées

au milieu semi-infini (Â3 > 0).

Du fait de la périodicité suivant les plans parallèles

à la surface, eT et ex! ne dépendent en fait que du plan atomique (À3). Par transformation de Fourier bidiT mensionnelle, l’on obtient :

Ce système peut être écrit sous forme modifiée, dans

le cas où a3 n’est pas perpendiculaire à la surface :

soit T la composante de a3 parallèle à la surface ; ; alors :

et

Sous cette forme le système est écrit dans la repréT

sentation de Brown [4]. On a utilisé n à la place de À3

pour désigner les plans et distinguer les deux repré-

sentations.

En supposant que les intégrales de résonance sont de portée finie, on obtient un système matriciel d’équa-

tions aux différences. Pour simplifier, nous nous

limiterons à des intégrales de recouvrement limitées

aux premiers voisins.

Le système obtenu est, pour k |l fixé, un bloc tridia-

gonal ; il est identique’à une chaîne unidimensionnelle

et peut être résolu par les méthodes développées dans

ce cas [5] :

Oll An et Bn,n ± 1 sont des matrices de rang M, le nombre d’orbitales m, Cn un vecteur colonne de dimension M.

Nous pouvons définir les matrices de transfert 1;.

et Tn de rang 2 M par :

Dans le cas de la surface, les conditions aux limites

sur les coefficients sont les suivantes :

La résolution de ce système et l’obtention des états de volume et de surface s’effectuent de manière sui- vante :

Dans le milieu massif, An et Bn,n± 1 tendent vers une

limite Aoo, Boo notées simplement A et B. On pourra

admettre cette propriété pour n > (N - 1).

On notera également T et son inverse f admettant

le même système de valeurs propres, car elles ont des

équations caractéristiques équivalentes; donc les

valeurs propres de T sont constituées de couples, ou quaternes de valeurs propres inverses et conjuguées.

Cette propriété est caractéristique d’une matrice

symplectique [6]. Plus précisément, on classe les valeur, propres :

en quaternes :

en couples situés sur l’axe réel :

en couples sur le cercle unité :

Les 4 points d’un quaterne (ou les deux points d’un couple) ont même multiplicité. On a la relation :

Il existe donc une transformation unitaire U

diagonalisant T. Soit D = U -1 TU :

(4)

D se mettant sous la forme :

Avec :

Cn devant être borné à l’intérieur du cristal, XN + 1

s’écrit dans la base des vecteurs propres de T sous

la forme

,

L’autre condition aux limites (Cn = 0, n = 0) est prise en compte en écrivant que X 1 s’écrit :

ce qui permet de déterminer tous les états propres du système et la structure de bandes.

3. Fonction de Green d’un milieu semi-infini en

liaisons fortes.

-

Les éléments de la fonction de Green associée à l’hamiltonien satisfont le système d’équa-

tions aux différences similaires à celui des coefficients

de la fonction d’onde au second membre près :

où G¡iE, kjj) est une matrice carrée d’ordre M.

Cette équation peut être résolue de différentes manières :

a) Par la représentation spectrale à partir des

solutions C(") de l’équation homogène (5), corres- pondant à la valeur propre Ecx.

G est donné par :

b) Par la méthode de traitement standard des fonctions de Green [5].

c) Par l’équation de Dyson, en multipliant (11)

par An- 1

On constate que G vérifie l’équation de Dyson :

où G ° est la fonction de Green d’une infinité de plans découplés,

B la matrice qui rétablit les liaisons électroniques

entre les plans.

(5)

440

L’équation (13) est une équation de Dyson, qu’on peut résoudre d’une infinité de manières : en effet

quelle que soit la décomposition de l’hamiltonien H

sous la forme H = Ho. + Hi, à partir de la connais-

sance de la fonction de Green G ° associée à H° et la

résolution de (13), on obtient G. Ainsi peut-on cons- truire notamment les fonctions de Green associées

respectivement à un film, à un milieu semi-infini ou au

milieu infini, en recollant les plans grâce aux liaisons B.

Les études courantes de milieu semi-infini se conten- tent de considérer soit un film borné, soit un film

,

périodiquement répété.

On peut également partir en sens inverse, c’est-à-dire couper les liaisons entre 2 plans ; ainsi à partir d’un

milieu infini, obtenir un milieu semi-infini non relaxé

[2-7]. A partir de l’équation (13) on peut considérer le cristal semi-infini relaxé électroniquement comme

constitué de 2 éléments : un film de N plans sont pleinement prises en compte dans les éléments de l’hamiltonien associé les interactions coulombiennes de type dipolaire et les interactions coulombiennes et

d’échanges intraatomiques et un milieu semi-infini

non relaxé à contributions dipolaires constantes,

correspondant au cas où An et Bn ont dans (11) leurs

valeurs asymptotiques. La méthode proposée ici

est la seule permettant un recollement exact entre le film et le milieu semi-infini non relaxé.

G ° s’écrit alors sous forme de blocs :

La densité d’états intégrée de symétrie m sur un site

donné dans le plan d’indice i s’obtient directement à

partir des éléments de G :

que l’on peut aussi réécrire [8]

L’auto-cohérence est obtenue à partir des équations (15) par la résolution d’un système surdéterminé du

type : 1

No étant la densité électronique moyenne en volume, EF le niveau de Fermi.

La coupure en un film de N plans est artificielle.

Physiquement elle est justifiée par le fait que les transferts de charge convergent vers 0 à une distance suffisante de la surface. A partir des résultats obtenus

pour ce nombre fini de plans, on peut s’affranchir de N

en étendant le film traité par des méthodes de per.

turbation ou itératives.

La résolution des équations (16) fournit directement les éléments de l’hamiltonien, sans avoir à passer par l’intermédiaire des densités d’états, par intégration

sur la zone de Brillouin bidimensionnelle et sur les

énergies complexes (EF + iy), intégrale qui est bien convergente. Connaissant les éléments de l’hamilto nien, on en déduit par les résultats du 2, les états propres et la structure de bandes.

Enfin il faut remarquer que la méthode proposée

ici s’étend à beaucoup d’autres cas de figures (interfaces cohérentes, alliages, ...).

4. Profil de densité électronique d’un cristal semi- infini C.S. avec surface (100). Cas non dégénéré.

-

Nous appliquons le formalisme décrit dans la section

précédente au cas simple d’un cristal semi-infini de structure cristalline cubique simple avec surface (100)

dans le cas d’une bande « s ». Les équations (16) se

résolvent de manière approchée en minimisant la

quantité :

où À est l’ordre d’itération. La résolution se fait en 2 temps : d’abord sur un nombre limité de plans pouf

le film (4 ou 5) en utilisant des méthodes de résolution basées sur les méthodes du simplexe et du gradient conjugué, puis en étendant le film par des méthodes itératives. La principale difficulté dans la résolution de ce problème est la susceptibilité très grande des Ni

Les résultats obtenus mettent en évidence le rôle crucial que jouent les interactions coulombiennes de type dipolaire : celles-ci sont à longue portée et

limitent singulièrement les variations de charge (qui

sont de l’ordre du 1/1 oooe d’électron pour urie couche

remplie à un électron).

L’hypothèse de la couche dipolaire [2] dans le cas

où seul le niveau du plan de surface pouvait varier

est contestable. En effet une étude sur un nombre élevé de plans (30) avec ce formalisme [9] montre quç les oscillations sont à très longue portée (ainsi par

exemple pour N o = 0,4, > AN14 ’ AN, > 6 B% avec des

variations de charge sur les plans 4 et 5, qui / peuvent être de l’ordre de celles sur les 2 premiers plans.

De plus l’écart à la neutralité globale, s’il présente

un minimum pour les 2 ou 3 premiers plans, varie de façon importante pour les plans d’indice supérieur.

Mais l’hypothèse de la couche dipolaire semble dans

le cas d’un traitement plus complet de l’hamiltonien mieux se vérifier : la variance introduite par l’extension de la perturbation permet de mieux guérir la coupure

brutale introduite par la création de la surface (Figs. 1

et 2).

(6)

Fig. 1.

-

La perturbation est étendue, par une méthode itérative

sur 10 plans pour le film (courbe en traits pleins), alors que pour la courbe en pointillés le film est limité à 4 plans. Le profil de densité électronique montre que l’extension de la perturbation à un nombre plus élevé de plans pour le film a pour effet de limiter davantage

les variations de charges. U est la valeur de l’intégrale de Coulomb intraatomique, a l’intégrale de dérive ; (U et a, en Ry), No la densité électronique moyenne en volume ; paramètre de réseau : 6 u.a. ;

03B2

=

0,03 Ry.

[The perturbation is extended with an iterative method over a

10 planes film (in full line). For the dotted line the film has 4 planes.

The extension of the perturbation attenuates the charges variations.

U is the Coulomb integral, a the crystal field integral (both in Ry units), No the electronic density of the bulk ; lattice parameter :

a = 6 a.u. ; 03B2 = 0.03 Ry. ]

Fig. 2.

-

Profil de densité électronique auto-cohérente pour une bande à moitié remplie.

[Self-consistent electronic charge density for a half-filled band.]

L’allure du potentiel dipolaire est oscillante et il décroît très rapidement. Les valeurs sur le plan de

surface sont de l’ordre de 0, 1 eV et dépendent fortement

de la contribution de l’intégrale de dérive. L’expres-

sion du potentiel dipolaire a été testée sur 2 cas limites du résultat général de l’appendice A : charges ponc- tuelles et charges uniformément aplaties dans les plans parallèles à la surface. On trouve une variation

de l’ordre de 20 % entre les 2 cas.

On peut aussi étudier l’importance de la dégénéy

rescence en spin. Ce qui consiste à multiplier le potentiel dipolaire par l’ordre de dégénérescence.

Les résultats trouvés (Fig. 3) montrent que :

Ce qui confirme l’importance du terme dipolaire car

dans l’hypothèse des charges uniformes dans les plans parallèles à la surface faite pour ce calcul, le potentiel dipolaire est linéaire en AN;. Enfin le calcul a été fait

Fig. 3.

-

Profil de densité électronique en pointillés obtenu en

faisant l’hypothèse de la dégénérescence 2 en spin, hypothèse non

faite pour la courbe en traits pleins.

[Ni (dotted line) is obtained for a spin degeneracy of 2 for the dipolar potential. The Ni (full line) is obtained when such a degeneracy is

not assumed.]

en supposant le potentiel dipolaire nul sur tous les

sites. Les résultats obtenus (Fig. 4) ont peu de rapports

avec la réalité physique !

Fig. 4.

-

Profil de densité électronique si le potentiel dipolaire est supposé nul partout.

[Electronic charge distribution for a zero dipolar potential.]

Les valeurs exactes des intégrales coulombiennes et d’échanges intraatomiques [10] jouent un rôle

mineur. La comparaison des résultats pour U = 0,1 Ry

et U = 0,3 Ry (qui est sensiblement de l’ordre de

grandeur de la largeur de bande) montre une variation

de charge de l’ordre de 1-2 %. Ceci est au fait que le terme U. bNi est petit par rapport à la valeur du

potentiel dipolaire.

Par contre la valeur de la variation de l’intégrale de

dérive en surface joue un grand rôle pour le profil de

densité électronique (Figs. 5 et 6). Ce qui n’est pas sans poser de problème. En effet l’hypothèse retenue içi, à savoir celles des liaisons coupées, est quelque peu

abrupte, vu l’intense champ électrique régnant en

surface et donc les distorsions des orbitales atomiques qui en résultent.

Les résultats obtenus mettent aussi en évidence que pour une densité électronique moyenne en volume

donnée, la variation du niveau électronique est sensi-

blement constante, quelles que soient les valeurs des intégrales de dérive ou intraatomiques.

Les niveaux d’énergie présentent des oscillations

et décroissent très vite. Il est à remarquer que la

variation du niveau du plan de surface a pratiquement

(7)

442

Fig. 5.

-

Profil de densité électronique auto-cohérent avec a

=

0,03 Ry (en traits pleins). En pointillés profil de densité élec-

tronique obtenu si seul le niveau du plan de surface est ajusté.

[Self-consistent electronic charge distribution for ce

=

0.03 Ry (full line). In dotted line the electronic charge distribution if only

the surface plane level is fitted.]

la valeur du potentiel perturbateur en surface dans un

formalisme où seul le niveau du plan de surface est

ajustable [11]. Par contre les variations de charge qui

en découlent peuvent (Figs. 5 ou 6) différer jusqu’à

un facteur 10.

Fig. 6.

-

Profil de densité électronique en supposant l’intégrale

de dérive nulle (en traits pleins). En pointillés le profil de densité électronique si seul le niveau du plan de surface est ajusté.

(Electronic charge distribution for a

=

0 (full line). In dotted line electronic charge distribution if only the surface plane level is fitted.]

Le profil de densité électronique obtenu quand le

niveau de Fermi tombe sur une des singularités logarithmiques de la densité d’états du cristal infini est très peu régulier [9]. Ceci est dû vraisemblablement à la méthode utilisée pour les sommations sur { kll }

[12-13] (voir Fig. 7), qu’on peut espérer moins sensible pour le calcul de quantités intégrées.

Les électrons s, complètement négligés dans ce travail, doivent jouer un rôle relativement important

pour le potentiel dipolaire et le travail de sortie.

En effet les valeurs obtenues avec un électron d seul sont de 2 ordres de grandeur au-dessous des valeurs généralement admises.

5. Conclusion.

-

Nous avons développé un for-

malisme permettant de connaître les états propres et la structure de bandes d’un cristal semi-infini. Par

une adaptation originale des fonctions de Green nous

Fig. 7.

-

Densité d’états d’un cristal infmi cubique simple (36 points

de Cunningham [12-13] pour { kll } dans 1/8e de la zone de Brillouin

en surface). On notera que cette méthode ne reproduit pas les

singularités de Van Hove. En pointillés le résultat exact [14-15].

[Density of states of a s.c. infinite crystal (36 Cunningham’s points [12-13] for { k jj ) in the 1/8e of the S.B.Z.). We can see that the singu- larity of Van Hove are not well described by this method. In dotted line the exact result [14-15].]

avons pu obtenir le profil auto-cohérent de densité

électronique d’un milieu semi-infini. L’application

à un cubique simple avec surface (100) dans le cas

d’une bande « s » permet notamment de mettre en évidence l’importance cruciale du potentiel dipolaire qui limite fortement les variations de charges (elles

sont de l’ordre de 1/1 oooe d’électron). Le calcul de la fonction de Green peut aussi se faire par une méthode

récursive, mais cette technique ne bénéficie pas de

l’avantage du recollement. Nous avons également

établi l’expression du potentiel dipolaire valable pour

un milieu périodique non uniforme dans les plans parallèles à la surface, et discuté divers cas limites.

Enfin, cette méthode peut être étendue aux interfaces

et aux alliages (dans un modèle de potentiel cohérent (CPA) généralisé au cas des surfaces).

APPENDICE A

Le potentiel dipolaire à la surface d’un métal.

-

Nous établissons dans cet appendice l’expression

du potentiel dipolaire Y à la surface d’un métal,’

tenant compte de la périodicité bidimensionnelle suivant les plans parallèles à la surface (r || = x, y).

Soit v(r) l’énergie électrostatique d’un électron

n(r) la variation du nombre d’électrons au point r

induit par la surface ; e n(r) est la variation de charge.

Le métal reste globalement neutre :

v(r) vérifie l’équation de Poisson

(8)

avec les conditions aux limites suivantes

Introduisons les transformées de Fourier bidimen- sionnelles :

S est l’aire d’une période bidimensionnelle élémentaire pour le potentiel v et la charge n.

Les composantes de Fourier du potentiel satisfont

donc :

La solution pour le terme K il = 0 est celle bien connue

d’un milieu uniforme en x, y, n(o, z)

Pour les autres termes : elle est :

où GK|| (z) est la fonction de Green de (A. 5)

Donc, par transformation de Fourier inverse, (A. 4b)

L’expression de v(r) est triviale, dans le cas de charges

uniformes parallèlement à la surface; nous avons notamment choisi comme modèles

(charges aplaties sur des plans parallèles à la surface)

et des charges ponctuelles

Dans les liaisons fortes, la charge s’écrit :

L’expression du potentiel dipolaire est soluble analytiquement, dans l’hypothèse d’orbitales gaus-

siennes, même anisotropes.

Nous laissons au lecteur le soin d’établir ces rela-

tions, et montrons le résultat d’un calcul correspondant (Fig. 8).

Fig. 8.

-

Potentiel dipolaire pour une surface cubique simple (100)

dans le modèle liaisons fortes avec orbitales gaussiennes : paramètre

de réseau : a = 1, distribution de charge n(p3) : n(0) = 0,1 ; n(l) = - 0, 1,

0 ailleurs. oel

=

OC2

=

03B13

=

4. La composante vl (K||

=

0) est représentée sur la figure b. Les corrections structurales (K |l # 0)

sont petites, et sont représentées sur (c) sur trois lignes perpendi-

culaires à la surface aux points x, y

=

(0, 0), (0,5, 0,5), (0,5, 0) (Fig. a).

--00

[Dipolar potential for s.c. (100) face, in the gaussian orbital model lattice parameter : a

=

1, charge distribution n(P3) : n(0)

=

0.1 1 n(1) = - 0.1, 0 elsewhere. al

=

a2

=

03B13

=

4. The K Il

=

0 compo-

nent vl is represented on figure b. The structural corrections (K 11 * 0).

V2 are small, and represented on c for three rods perpendicular tc

the surface at points (x, y) = (0, 0), (0.5, 0.5), (0.5, 0) (a). The limil

Il.

L’élément de matrice Vd(À) dans le texte est :

Nous l’avons approximé par la valeur du potentiel

sur un plan dans le modèle de la charge répartie sur

les plans, ou la valeur en un point du réseau dans le

modèle des charges ponctuelles.

(9)

444

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Références

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