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OBSERVATIONS NOUVELLES DANS LE SPECTRE
D’ABSORPTION ET DE RÉFLEXION
EXCITONIQUE DE MONOCRISTAUX D’IODURE
DE PLOMB EN COUCHES MINCES
S. Nikitine, J. Biellmann
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OBSERVATIONS NOUVELLES DANS
LE SPECTRE D'ABSORPTION
ET
DE RÉFLEXION EXCITONIQUE DE MONOCRISTAUX D'IODURE DE PLOMB
EN COUCHES MINCES
Laboratoire de Spectroscopie et d'optique du Corps Solide, Institut de Physique, Université de Strasbourg (Laboratoire Associé au C. N. R. S.)
Résumé. - L'observation sous fort grossissement, en lumière monochromatique, corres- pondant a la première raie excitonique, de l'image réfléchie par des monocristaux lamellaires minces de PbI2, déposés sur un support, fait apparaître une structure en mosaiques. Cette struc- ture est due au déplacement en longueur d'onde du spectre de réflexion. Ce déplacement est attri- bué aux tensions dues à la contraction différentielle du cristal et de son support provoquée par le refroidissement aux basses températures. La visualisation des défauts du cristal par cette méthode semble très intéressante, ne nécessitant pas la décoration habituelle des dislocations.
Absîract. - When observed at a high magnification under monochromatic light correspond- ing to the first exciton peak, the image reflected by thin monocrystalline films of Pb12 reveals a mosaic structure. This structure is caused by the shift in wavelength of the reflexion spectrum. This shift is attributed to stresses caused by the differential contractions between the film and its support during the cooling to low temperatures. This method of observing the defects seems interesting, since it does not involve the usual technique of (( decorating 1) the dislocations.
Nous avons entrepris la- vérification expérimentale des conséquences sur les spectres excitoniques de la théorie de la dispersion spatiale établie par Pekar [l]. A cet effet, nous avons repris l'étude du spectre excito- nique de monocristaux lamellaires d'iodure de plomb aux basses températures. Cette étude a soulevé de nombreuses difficultés. L'élimination de ces difficultés nous a conduit à observer quelques propriétés nouvel- les des spectres de ces cristaux, dont certaines nous paraissent être fort importantes. La présente commu- nication a pour objet l'étude de l'influence du support des cristaux sur les spectres observés. Les résultats obtenus sur l'effet Pekar seront présentés ultérieure- ment, certaines vérifications devant encore être faites. Conditions expérimentales. - a) ECHANTILMNS. Les monocristaux de PbI, se présentent sous la forme de lamelles hexagonales orientées perpendiculaire- ment à l'axe sénaire. Ces cristaux sont obtenus, soit par évaporation, soit par refroidissement d'une solu- tion aqueuse de PbI,. L'allure générale des spectres d'absorption et de réflexion est connue, étudiée en particulier dans notre laboratoire par Perny et Mme Schmitt-Burckel (Fig. 1) [2]. Le spectre d'absorp- tion se caractérise essentiellement par trois raies d'absorption : la première très intense, vers 4 945 A,
FIG. 1.
-
Densitograrnme du spectre d'absorption d'un monocristal de Pb12 'perpendiculaire à l'axe, à4 "K.
les deux suivantes vers 4 900
A
et 4 860A,
suivies par un fond continu d'absorption. Dans le spectre de réflexion, un rayon restant vers 4 945A
et un rayon manquant très prononcé vers 4 930A
correspondentS. NIKITINE ET J. BIELLMANN
FIG. 2. - Schéma du montage optique. a. achromats
o. p. objectifs de projection
Légende : 1. x. lampe au xénon o. c. oculaires d'observation
1. r. lampe spectrale de référence p. rfr., p. rfl., p. tr. emplacements des photomulti-
m. S. miroir séparateur plicateurs mesurant les flux de référence, de
Spectr. spectrographe utilisé en monochromateur réflexion et de transmission, derrière des cr. cryostat avec échantillon (éch.) diaphragmes rectangulaires (d. r.).
à la première raie d'absorption. Des accidents beau- coup plus faibles correspondent aux deux autres raies d'absorption. Le coefficient d'absorption dans les raies étant de l'ordre de IO5 cmc1, l'étude de la transmission de ces cristaux exige des épaisseurs allant d'un dixième à plusieurs dixièmes de micron.
Il est donc nécessaire de déposer ces cristaux sur un support, en général des lames de verre ou de quartz auxquelles ils adhèrent fortement.
b) MONTAGE OPTIQUE. Le montage spectrométri- que (Fig. 2) ayant servi àl'étude des spectres est consti- tué essentiellement par :
-
un illuminateur utilisant une lampe à arc au xénonXB O 450 W et une lampe spectrale au HgCd Zn ;-
un monochromateur à réseau de 600 traitslmm, montage Litrow, construit au laboratoire, donnant une dispersion de 16 &mm,-
un cryostat à fenêtres planes construit et mis au point au laboratoire. Les cristaux étudiés se trouvent dans une chambre ; celle-ci contient de l'hélium gazeux et est refroidie par le liquide cryogénique. La tempé- rature des cristaux est très voisine de celle du fluide cryogénique ; elle en diffère au plus de 1 "K. Les fenê- tres du cryostat sont inclinées sur l'axe optique pour éviter les réflexions parasites ;-
un système optique permettant l'observation des cristaux en lumière monochromatique, tant en trans-mission qu'en réflexion normale au cristal avec un grossissement de l'ordre de 80. Pour l'enregistrement des spectres, on peut ainsi sélectionner sur l'échantillon une surface rectangulaire d'environ 15 y x 40 y ;
-
L'enregistrement des spectres se fait à l'aide de trois photomultiplicateurs RCA 1 P 21. Un potentio- mètre enregistreur Méci modifié donne directement le rapport du courant mesurant le flux lumineux, soit réfléchi, soit transmis, au courant mesurant un flux monochromatique de référence. Ainsi, les fluctuations de la source lumineuse en fonction du temps et de la longueur d'onde sont éliminées.OBSERVATlONS NOUVELLES DANS LE SPECTRE D'ABSORPTION C 2 - 9 7
FIG. 3. - Réflexion normale de la face libre d'un monocristal de PbI2, d'épaisseur moyenne de 0,7 p à
20 OK, à différentes longueurs d'onde correspondant à la première raie d'absorption excitonique. Les rayons manquants des frontières et des centres des domaines les plus déplacés sont observés respectivement à 4 942
A
et à 4 933a.
Ces phénomènes semblent provenir des tensions provoquées dans le cristal par les contractions différentielles entre le cristal et son support dues au refroidissement aux basses températures. Nous insis- tons sur le fait que la visualisation des défauts dans le cristal par cette méthode optique peut être extrême- ment intéressante.
Les figures 4 et 5 sont des exemples de spectres de réflexions sur les deux faces et de spectres de transmis- sion, repectivement dans le cas d'un centre et d'une frontière d'un domaine. Dans le spectre de réflexion face support, on observe souvent un minimum de réflexion se situant du côté des grandes longueurs d'onde par rapport au rayon restant. Ce minimum ne peut être attribué simplement à un phénomène inter- férentiel. D'autre part, tout en négligeant le décalage des spectres des deux faces, il est impossible de calcu-
4955
t
frontière diin domoineFIG. 4. - Spectre de réflexion et de transmission du centre d'un domaine.
ler l'indice complexe n
-
ik dans la région totalement absorbante, le pouvoir réflecteur de la face support s'avérant trop faible par rapport à celui de la face libre.C 2 - 9 8 S. NIKITINE ET J. BIELLMANN centre d un domalne Z L roc. ltbrr 5 40 .- O - 20
RG. 5.
-
Spectre de réflexion et de transmission au voisinage d'une frontière d'un domaine.Cristaux minces
Centre d'un domalne
7893A 4 ~ 0 3 /*Y933 f 4947 race libre
1
74893 ,4902 7 4 9 1 ) $ 4945 face support
i 1 1 1 Front~ére d un domoine
I I
face support
, 't,,
-
A49lU ,.;-_,,+,.$,Endroit décolli du support,, ,-- ,,,' ,<, , r , ' -4922 4 7 Crisial &pois 4900 4 925 4950 A en .f A p r o y rest. A lv r a y rest v e r a y manq. v 1" r a y manq.
Notons que la position des spectres de réflexion de,$ cristaux avec support est complètement encadrée par les positions des spectres des cristaux sans support, mais de fabrications différentes.
Discussion. - On peut essayer d'expliquer ces différents phénomènes en admettant que le coefficient de dilatation de PbI, est différent de celui du support en verre. Cette hypothèse est plausible, bien que nous ne connaissions pas le coefficient de dilatation de PbI,. Par le refroidissement aux basses températures, le cristal tend à se morceler en partant de lignes de moindre résistance correspondant probablement à des affleurements de dislocations. Ce morcellement ne semble se faire qu'à la surface libre, tandis que l'adhé- rence du cristal au support semble provoquer des tensions uniformes sur la face support. Les contra- dictions apparaissant dans les positions relatives du spectre de réflexion dans un cristal épais et dans un cristal mince sans support ne permettent pas de préci- ser ie sens de déplacement du spectre en fonction des tensions à la surface libre du cristal.
Le minimum du côté des grandes longueurs d'onde du rayon restant dans le spectre face support pourrait être interprété en admettant qu'il y ait glissement de feuillets cristallins sur une très faible épaisseur du côté du support causant des variations très rapides de l'indice. Dans cette hypothèse, ce minimum serait d'origine interférentielle.
Signalons que des cristaux plus minces, de l'ordre du dixième de micron, ont un comportement analo- gue et présentent, en particulier, des anomalies très fortes dans le spectre réfléchi de la face support. Mais les phénomènes observés sont plus difficiles à interpré- ter, étant donné que les interférences entre les deux faces du cristal se poursuivent jusque dans les raies d'absorption.
OBSERVATIONS LA u u v E L L ~ S DANS LE SPECTRE D'ABSORPTION C 2 - 9 9
Bibliographie
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DISCUSSION
M. ROIG.
-
On observe un grand nombre de cannelures dans un domaine étroit de longueur d'onde pour une lame d'épaisseur 0,7 p ; quelle est la valeur de l'indice de la lame ?M. BIELLMANN.
-
L'indice est voisin de 3 et surtout varie très vite avec la longueur d'onde.M. PAIC.
