ACTION D'UN CHAMP ÉLECTRIQUE SUR LES PROPRIÉTÉS PHOTOÉLECTRIQUES DE COUCHES MINCES MÉTALLIQUES

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Submitted on 1 Jan 1973

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ACTION D’UN CHAMP ÉLECTRIQUE SUR LES PROPRIÉTÉS PHOTOÉLECTRIQUES DE COUCHES

MINCES MÉTALLIQUES

L. Gaudart

To cite this version:

L. Gaudart. ACTION D’UN CHAMP ÉLECTRIQUE SUR LES PROPRIÉTÉS PHOTOÉLEC-

TRIQUES DE COUCHES MINCES MÉTALLIQUES. Journal de Physique Colloques, 1973, 34 (C6),

pp.C6-97-C6-101. �10.1051/jphyscol:1973625�. �jpa-00215346�

ACTION D'UN CHAMP ÉLECTRIQUE SUR LES PROPRIÉTÉ s PHOTOÉLECTRIQUES

DE COUCHES MINCES MÉTALLIQUES

L. GAUDART

Département d e Physique Expérimentale Centre Saint-Charles, Université de Provence

Place Victor-Hugo, 13003 Marseille, France

Résumé. - On a étudié le comportement du rendement photoélectrique de couches minces d'or, de cuivre et d'argent lorsqu'on leur applique un champ électrique perpendiculaire au plan de leur support. Les couches ont une épaisseur comprise entre 1 et 100 nm environ. Le champ électrique varie de O à 5 x ¹⁰⁵ V/m environ. Grâce à la méthode graphique de Fowler, on a déter- miné les travaux de sortie correspondants et leurs variations en fonction du champ. On constate que, lorsque ce dernier augmente, le travail de sortie relatif au seuil photoélectrique diminue. Cette variation dépend de l'épaisseur de la couche mince.

Abstract.

We have studied the photoelectric yield behaviour of thin films of gold, copper and silver, when an electric field is applied to them, perpendicularly to the plane of their substrate.

The thicknesses of these films were comprised between 1 and 100 nm. The electric field in our expe- riments was comprised between about O and 5 x 105 V/m. Using Fowler's graphic method, the corresponding work funcrions and their variations in accordance with the field were determined.

We can see that when this last one increases, the work function decreases. This variation depends on thin film thickness.

Introduction.

Nous avons appliqué un champ électrostatique constant E à la surface (interface vide- métal) d e couches minces d'or, d'argent et de cuivre.

La direction d u c h a m p est perpendiculaire à la couche.

II peut prendre une valeur cornprise entre O e t 5 x IO5 V/m environ. Ces valeurs sont nettement inférieures à celles qui seraient susceptibles de provo- quer une émission de champ. Con-iine l'ont montré en particulier Schottky [Il, Nottingham [2], Law- rence e t Linford [3], Juenlcer [4], Huxford [5], la présence d'un c h a m p électriq~ie externe à la surface de métaux massifs entraîne une modification d u travail d e sortie des électrons. Nous nous soinmes proposés d'étudier la modification que pouvait amener la présence de chaiiips importants à la surface de couches minces métalliqiies. Celles-ci sont obtenues par évaporation tliermicl~ic

vide de IO-' torr et condensation sur

disque de silice amorphe.

Les épaisseurs massiq~ies sont con~prises entre 1 et 100 nin environ. L'épaisseur de métal déposé par unité de temps est d'environ 0,4 iiin/s pour l'or, 1,7 nm/s p o u r l'argent et 0,6 ninls pour le cuivre.

1. Mesures préliminaires.

Api-ès sa fabrication, la couche mince est placée parallèleinent à une plaque métallique plane. Ce déplacemeiit est une rotation commandée de l'extérieur de l'enceinte au inoyei-i d'un dispositif ii-iagnétiq~ie. La couche mince, rcliée a la terre, constit~ie la photocathode de la celluie

Source

\

Monochromateur

FIG. 1.

Schéma des dispositifs

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1973625

C6-98 L. GAUDART

expérimentale (Fig. 1). La plaque métallique plane qui lui fait face est portée à un potentiel positif et joue le rôle d'anode. Elle est percée d'un trou de faibles dimensions destiné à laisser passer le flux des radiations incidentes. Le champ électrique E qui règne à la surface de la couche est une fonction de la différence de potentiel existant entre l'anode et la cathode. II est possible de déterminer cette fonction qui dépend de la géométrie de la cellule photoélectrique. A une tension de 3 000 V appliquée à I'anode, i l correspond un champ d'environ 500 000 Vin1 à la surface de la photocathode. Les radiations incidentes ont des longueurs d'onde compri- ses entre 350 et 230 nm ; ce domaine spectral corres- pond à des énergies proches du seuil photoélectrique des métaux étudiés. Ces radiations arrivent perpen- diculairement sur la surface de la couche mince.

L'intensité du courant qui traverse la cellule photo- électrique dépend du champ électrique régnant à la surface de la cathode. 11 convient de distinguer deux ordres de grandeur de ce champ. Tout d'abord, pour les champs faibles, la figure 2 montre la variation

fication du travail de sortie du métal. Le champ E, qui règne alors à la surface du métal sera considéré comme négligeable.

Pour des champs E beaucoup plus importants, la figure 3 représente les variations du courant I en fonction de E. On observe qu'il n'y a pas une

<

/

I

FIG.

Variations de l'intensité I du courant traversant la cellule photoélectrique en fonction de la valeur E du champ électrique régnant

la surface de la photocathode.

FIG. 2.

Variations de l'intensité 1 traversant la cellule photo- électrique expérimentale en fonction de la différence de poten- tiel V appliquée entre I'anode et la cathode pour trois radiations de longueurs d'onde différentes. Les valeurs de V et par suite

celles de E, sont faibles.

de l'intensité I du courant en fonction de la tension appliquée à I'anode. I est la différence entre le courant de pleine lumière et le courant d'obscurité de la cellule. Dans la plupart des cas ce dernier est négli- geable devant le courant de pleine lumière. Lorsque la tension varie de 0 à 4 V, I commence par croître rapidement pour atteindre une valeur de saturation.

Celle-ci correspond au fait que tous les photoélectrons émis atteignent I'anode et Ie courant traversant la cellule est alors le courant photoélectrique réel.

La théorie de Fowler [6] que nous aurons à utiliser ne peut s'appliquer que si cette condition est réalisée, c'est-A-dire pour des tensions au moins égales à 4 V environ. Toutefois, cette valeur de V demeure suffisamment faible pour ne pas provoquer de modi-

véritable saturation, et le courant I continue à croître légèrement avec le champ. Cette augmentation est plus ou moins importante suivant la longueur d'onde de la radiation incidente. C'est ce phénomène que nous nous sommes proposés d'étudier. Les rendements

7

.

.

Frc. 4.

Variations des rendements photoélectriques en fonction de la longueur d'onde de la radiation incidente pour

deux valeurs du champ électrique externe appliqué.

et nous avons tracé, figure 4, les résultats obtenus pour deux valeurs de E. En général, les points corres- pondant à la valeur la plus grande du champ ont une ordonnée supérieure à celle des points qui corres- pondent à la valeur la plus faible de E, toute chose étant égale par ailleurs. La différence de ces ordon- nées dépend de la longueur d'onde, de I'épaisseur de la couche mince et de la nature du métal. La figure 4 correspond à une couche d'or d'environ 100 nm d'épaisseur. Qualitativement, l'ensemble de ces résultats est identique pour les trois métaux étudiés.

Par ailleurs, on sait que le rendement photoélec- trique dépend de I'épaisseur du métal comme l'ont montré, en particulier Mayer et Thomas [7]. Au cours de nos expériences, la coinplexité du problème réside dans le fait que le rendement varie à la fois en fonction de I'épaisseur massique de la couche et en fonction du champ appliqué. II convient donc tout d'abord d'étudier son comporteinent uniquement en fonction de l'épaisseur. 11 est nécessaire de remar- quer que ce paramètre : épaisseur massique, n'est qu'un repérage commode et, qu'en fait, la couche mince métallique a une structure granulaire pour les couches d'épaisseur les plus faibles et continue pour les couches les plus épaisses. Pour les trois métaux étudiés et à champ électrique négligeable, les courbes représentant les variations du rende- ment photoélectrique en fonction de l'épaisseur sont

seur augmente, le rendement passe par un maximum pour une valeur rio de la variable. II ne dépend plus de l'épaisseur pour les couches les plus épaisses.

do est d'environ 6 nm pour le cuivre, 5 nm pour l'or et 11 nm pour l'argent. De telles variations ont déjà été observées par Pauty et Vernier [8], Garron [9], Hall et Mee [IO]. Dans le cas de ces métaux, nous n'avons observé qu'un seul maximum, alors que pour le calcium nous en avions observé deux [ I I ] . A partir des valeurs du rendement photoélectrique, la méthode graphique de Fowler [6] permet de déter- miner, pour chaque épaisseur et toujours pour un champ Eo négligeable, un travail de sortie @,. Dans le cas du cuivre, mais ceci est aussi vrai qualitativement pour les deux autres métaux étudiés, la variation de ce travail de sortie en fonction de I'épaisseur est représentée figure 6. On remarque que le travail de sortie passe par un minimum pour I'épaisseur cri- tique c l , mise en évidence précédemment. Cette courbe permet de comprendre les précédentes varia- tions du rendement photoélectrique.

unit6 arbitraire

-

FIG. 5.

Variations des rendements photoélectriques en fonction de l'épaisseur des couches métalliques pour trois radiations incidentes de long~ieurs d'onde différentes. Le champ électrique

la surface de la cathode est négligeable.

FIG. 6. - Variations du travail d e sortie en fonction de I'épais- seur des couches métalliques. Le champ électriqiie à la surface

de la cathode est négligeable.

2. .Action d'un champ électrique.

Quelles que

soient la nature et l'épaisseur du métal, une augmenta-

tion du champ électrique appliqué entraîne un abais-

sement du travail de sortie. Pour uiie couche donnée,

il est possible de définir la variation A(I) comme

C6-100 L.

étant la différence entre le travail de sortie @, obtenu avec un champ E élevé, et le travail de sortie @, obtenu pour un champ négligeable. La valeur de l'abaissement A @ dépend de la nature du métal, de I'épaisseur de la couche et de l'intensité du champ E.

Dans le cas de l'or, la figure 7 montre les variations de A@ en fonction de I'épaisseur pour trois valeurs du champ appliqué. On constate que, quelle que soit d, A@ est négatif et décroît en fonction de E. A @ est d'autant plus grand, en valeur absolue, que I'épais- seur est plus proche de la valeur critique do déjà

FIG. 7.

Variations de A@ en fonction de I'épaisseur des couches d'or, pour trois valeurs du champ électrique E. La droite S est déduite de la relation de Schottky pour un champ

d'environ 500 000 V/m.

mise en évidence précédemment. Ces courbes sont analogues à celles obtenues pour le calcium [12].

II est intéressant de comparer ces résultats avec ceux prévus par Schottky [Il. Cet auteur a établi, dans le cas de métaux massifs et pour l'effet thermo-ionique,

la relation :

oii a est une constante.

Guth et Mullin 1131 ont niontré que cette formule pouvait être étendue à l'effet photoélectrique. Puisq~ie cette relation ne concerne que les métaux massifs, nous n'avons le droit de

comparer que les valeurs expérimentales obtenues pour des couches épaisses, c'est-il-dire des co~iclies pour lesquelles le travail de sortie

est constant. La droite S tracée sur la figure 7 est déduite de la relation de Schottky pour Lin champ de 500 000 V/in environ. Elle est parallèle 5 l'axe des abscisses. On constate que la courbe expérimentale correspondant à une valeur identique du chaiiip électrique se confond avec S polir les couches les plus épaisses. Dans le cas de l'or, la rela- tion de Schottky est donc bien vérifiée.

POLI^ l'argent (Fig. 8) et le cuivre (Fig. 9), l'allure des courbes est la même et A(b passe par un niini- inuiii d'abscisse rl,. La droite S tracée sur ces de~ix lig~ires est déduite de la relatioi-i de Schottky pour la

FIG. 8.

Variations de A@ en fonction de I'épaisseur des couches d'argent pour trois valeurs du champ électrique E.

La droite S est déduite de la relation de Schottky pour un champ d'environ 500 000 V/m.

FIG. 9.

Variations de A @ en fonction de l'épaisseur des couches de cuivre pour trois valeurs du champ électrique E.

La droite S est déduite de la relation de Schottky pour un champ d'environ 500 000 V/m.

valeur de 500 000 V/m environ. On remarque que pour

l'argent l'abaissement expérimental est, en valeur

absolue, plus grand que celui prévu, alors que pour

le cuivre il est plus petit. Certains auteurs, parmi

lesquels Juen ker [4], Jacklevic et Juenker [14] avaient

déjù observé la non-concordaiîce des résultats expé-

riiueiitaux avec la théorie de Schottky. Celle-ci prévoit

en outre

abaisseinent du travail de sortie propor-

tionnel ii la racine carrée du cliainp électrique. Nous

avons tracé (Fig. 10) les variations de A @ en fonc-

tion de

pour des co~iclies minces d'or d'épaisseiirs

différentes. La droite S est déduite de la théorie. Les

croix qui lui sont voisines coi-respondent aux résultats

expérimeiitaux pour des couches d'épaisseur supé-

rierire i 20 nm. Lorsq~ie I'épaisseur diminue, les points

expérinientaux se répartissent correctement, aux

erreurs de mesure près, sur une droite ; mais celle-ci

s'écarte de la droite S. Elle s'en écarte d'autant plus

que I'épaisseur de la couche se rapproche de I'épais-

FIG. IO.

Variations de l'abaissement A@ du potentiel de sortie en fonction de la racine carrée du champ électrique appliqué, pour différentes épaisseurs d'or. La droite S est déduite de la relation de Schottky. Les croix représentent les résultats des mesures expérimentales pour des couches d'épais-

seur supérieure a 20 nm environ.

tions expériinentales de A @

J.(JE) ne semblerit pas pouvoir être représentées par des droites.

Conclusion.

La conlparaison des résultais expé- rimentaux obtenus dans le cas des couches épaisses avec la théorie de Schottky montre que cette théorie est vérifiée dans le cas de l'or. Par contre, pour I'ar- gent, la variation expérimentale A @ est supérieure, en valeur absolue, à celle prévue, alors qu'elle est infé- rieure dans le cas du cuivre. D'une manière générale, la variation d e Ad) en fonction de d n'est pas sans analogie avec la variation d e @ en fonction de d.

En particulier, le minimum de A @ se situe précisé- ment pour la valeur do, épaisseur pour laquelle @ présente un minimum. Cette analogie suggère l'idée que la modification de l'épaisseur de la couche, c'est- à-dire en fait de sa structure, et la modification d u champ électrique externe entraînent la variation d'un même paramètre caractéristique de la couche mince.

Bibliographie

[l] SCHOTTKY, W., Hancibuch der Experii~~e~ital Physik

[9] GARRON, R., AIIII. Phys.

(1928) 953. [IO] HALL, G. K. et MEE, C. H. B., Congrès Il~t~riiatioiial cles [ 2 ] NOTTINGHAM, W . B., P / ~ J > s . Rev.

(1932) 793. Coitclies Milices, Cannes (Société Française des [3] LAWRENCE, E. O. et LINFORD, L. B., Phys. Rev.

Ingénieurs et techniciens du Vide), Paris (1970) 547.

482. [ I l ] GAUDART, L. et RIVOIRA, R., Appl. Opt.

[4] JUENKER, D. W., J. Appl. Phys.

[5] HUXFORD, W. S., Phys. Rev.

1121 GAUDART, L. et RIVOIRA, R., C. R. Hebd. Séari. Acad.

[6] FOWLER, R. H., Phys. Rev. 38 (1931) 45.

275B (1972) 509.

171 MAYER. H. et THOMAS, H., Z. Phys. 147 (1957) 419. 1131 GUTH, E. et MULLIN, C. J., Phys. Rev. 59 (1941) 867.

[8j

M. et VERNIE;, P.; C. R - Hebd. ~ é a n . Acad.

[I4] JACKLEVIC, R. C. et JUENKER, D. W., J. Appi. Phys.

257 (1960) 1840. (1960) 102.