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Excitation de la phosphorescence de CdI2 pur et dopé.
Première Partie
Loic Langouet
To cite this version:
Loic Langouet. Excitation de la phosphorescence de CdI2 pur et dopé. Première Partie. Journal de
Physique, 1967, 28 (7), pp.582-586. �10.1051/jphys:01967002807058200�. �jpa-00206555�
EXCITATION
DE LAPHOSPHORESCENCE
DECdI2
PUR ETDOPÉ
Première Partie Par Loïc
LANGOUET,
Laboratoire de Luminescence, Faculté des Sciences de Rennes.
Résumé. 2014 Par une étude de l’influence des traitements, du noircissement et de la
tempé-
rature sur l’excitation de la
phosphorescence
de l’iodure de cadmium pur oudopé,
on a pu mettre en évidence une transition : bande de valence-bande de conduction, à la base du processus dephosphorescence
deCdI2,
définissant le caractèrepolymoléculaire
de ce processus. Ledopage
au mercure et à
l’argent
influence l’excitation de laphosphorescence.
Abstract. 2014 A
study
of the influence of thepreparation,
ofblackening
and oftemperature
on the excitation ofphosphorescence
ofCdI2
allowed us todistinguish
a valenceband conduction-band transition and to definite the centres of excitation. The character of the
phosphorescence
process ispolymolecular. Doping by
mercury and silver influencethe excitation of
phosphorescence.
I. Introduction. - Avec un montage
experimental,
decrit par ailleurs
[16], qui permet, grace
a un nou-veau
principe, d’enregistrer
lesspectres
d’excitation dephosphorescence,
nous avons pu 6tudier 1’excitation de laphosphorescence
deCdI2
pur etdope,
dansdifférentes conditions de
preparation,
de traitementet de
temperature,
et determiner les transitions 6ner-g6tiques
dessystemes
luminescents lors de cette excitation.II.
Enregistrement
desspectres
dlexcitation dephosphorescence.
- Lagrandeur caractéristique
6tu-di6e est l’intensit6 moyenne des courbes de d6clin d6finie comme :
l(t)
6tant l’intensit6 de laphosphorescence
en fonction du temps;T la duree de l’observation.
Voyons
ce querepr6sente Im. Puisqu’il
esttoujours possible
ded6composer
une loi de d6clinl(t)
en unesomme
d’exponentielles
décroissantes[17] :
A
partir
de cetteexpression,
on deduitlm :
Mais au bout d’un
long temps,
il ne resteplus
que1’exponentielle
deplus petite
constanteÀ1
si bien que :En introduisant la somme de lumi6re :
Lors de notre
expérimentation,
nous avonspris
soin de
prendre T >> 1/Àl :
Mais on a la relation :
7] 6tant le rendement de la
transition;
npo
lapopulation
initiale dupiege
et no celle de 1’6tat excite6metteur;
A un facteur de
proportionnalité.
On
peut
admettrenpo
>> no, d’ou :L’intensité moyenne
Im
est doncproportionnelle
a lapopulation
despieges
a l’instant t = 0. Lemontage
que nous avons mis au
point
pour mesurerIm permet
de faire desenregistrements
de1.
pourchaque longueur
d’onde excitatrice et d’obtenir ainsi lesspectres
d’excitation dephosphorescence.
III. Excitation de la
phosphorescence
deCdl2
pllr. - III.1. ORIGINE DES PRODUITS ET PHOSPHO- RESCENCE. - L’iodure de cadmium
peut
etre obtenu deplusieurs
manieres etparmi
lesprincipales,
nousavons retenu
[2] :
- La reaction de l’iodure de
potassium
sur lesulfate de
cadmium,
suivie d’unlavage
a 1’alcool.- La reaction de l’iode sur le
cadmium,
soit asec, soit en
presence
d’eau.- La reaction de 1’acide
iodhydrique
HI sur lecadmium.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01967002807058200
583
Nous n’avons pu savoir avec exactitude les
proc6d6s
de fabrication des
produits
Rhone-Poullenc et Merck que nous avons utilises.Toutefois,
en faisantr6agir
de l’iodure de
potassium
sur du sulfate decadmium,
nous avons obtenu un
produit
dontl’analyse
cristallo-graphique
a d6montr6 uneparfaite
identite avec lesproduits
du commerce.Prolabo a bien voulu nous
indiquer
les caract6ris-tiques
moyennesd’analyse
de l’iodure de cadmium pur RP fourni par ses soins :Les spectres d’excitation de la
phosphorescence
deces différents
produits
ont la memeallure (fig. 1);
seules les intensités sont diff6rentes et ces variations
sont attribuables a des concentrations dinerentes des centres d’excitation.
FIG. 1. - Excitation de la
phosphorescence
a 20 °C.I :
CdI2
pur Merck. - II :CdI2
pur Rhone-Poullenc« Prolabo ». - III :
CdI2
pur par reaction de KIsur
CdSO4.
Puisque
lesproduits
ont du etreprepares
apartir
de
KI,
nous avons 6tudi6 1’excitation de laphospho-
rescence de ce
produit
afin de voir si laphospho-
rescence de
CdI2
nepouvait
pas etre attribuée a desreliquats
desproduits
dedepart,
mais KI nepr6sente,
a 20
OC,
aucunephosphorescence
detectable. Ult6-rieurement,
nous verrons que ledopage
deCdI2
par lepotassium
n’influence pas 1’excitation de laphos- phorescence
meme a destemperatures plus basses;
ilen est de meme pour le
dopage
par lecuivre,
par le zinc et par les metaux lourds tels que leplomb
et lethallium.
V. L. Levshin et S. G. Kroituru
[3]
ont observeque l’iodure de cadmium sublime sous vide ne
devenait luminescent
qu’a
l’ouverture de la chambre depreparation ;
ils ont attribue al’oxygène 1’appa-
rition de la fluorescence
jaune
de ceproduit,
maisnous verrons que le
phenomene
de noircissement deCdI2
permet d’attribuer cet effet a la vapeur d’eaucontenue dans 1’air.
La
phosphorescence
semble donc étroitement li6e a l’iodure de cadmium lui-meme ou a ses constituantset non a des
impuretes 6trang6res.
III .2. INFLUENCE DES TRAITEMENTS. - Nous avons voulu determiner le role des traitements
chimiques
ou
physiques
que l’on est amene a faire subir aCdI2
pour
pr6parer
desproduits dopes.
Cetteetude,
r6a-lisee a
20 OC,
aport6
sur leproduit
Prolabo enpaillettes,
sur un monocristal de 1 mmd’épaisseur (1)
et sur six
produits prepares respectivement
parfusion, evaporation
d’une solution aqueuse,broyage
a sec,evaporation
d’une solution dansI’ac6tone, évapora-
tion d’une solution aqueuse en
presence
de cadmiumet
evaporation
d’une solution dans 1’alcool6thylique.
On note, pour
chaque preparation,
lapresence
d’unet
parfois
de deux maximad’excitation,
lepremier
aux environs de
3,02
eV et le second vers3,36
eV.Le
produit
enpaillettes
et leproduit prepare
par voie aqueuse ont le memespectre
d’excitation dephosphorescence,
tandis que, pour les autrespr6pa- rations,
on observe des differences d’intensité et de16g6res
deformations desspectres.
On peut proposer deuxorigines principales
a ces variations :- Une
adsorption
de certains solvants a la surface des cristaux d’iodure de cadmium[4].
- Des modes de cristallisation différents avec
chaque preparation [2];
notamment letemps
de cristallisation a une tresgrande
influence sur la for-mation et la concentration des lacunes et des dis- locations. Nous verrons, avec le
phénomène
de noircis- sement, l’influenceparticulière
des faces des cristaux.De
plus,
on note une similitude entre les courbesspectrales
obtenues pour lesproduits
fondus et pourceux
prepares
parevaporation
d’une solution aqueuseen
presence
de cadmium : les intensites sontparti-
culi6rement fortes dans les deux cas. Le
d6gagement
de vapeur d’iode observe durant la fusion en tube
non scell6 nous faisait
deja
supposer que la fusion constituait undopage
par le cadmium. Enplus
d’uneconfirmation de ce
dopage,
l’influence dudopage
par le cadmium sur 1’excitation de laphosphorescence
est mise en evidence.
III.3. NOIRCISSEMENT ET EXCITATION DE PHOSPHO- RESCENCE. - Une
longue
irradiation deCdI2
par la lumi6re ultraviolette am6ne une modification desspectres
d’excitation dephosphorescence
deCdI2.
Pour le
produit broye
a sec, lors del’irradiation,
on note un
déplacement
du maximum des courbes d’excitation et uneaugmentation
de l’intensit6 desspectres.
Leproduit pr6sente
finalement un aspect(1)
Nous remercions vivement M. Le Donchequi
abien voulu
pr6parer
ce monocristal.blanc
grisatre
que l’onpeut
facilement mettre en evi- dence engrattant
la couchesuperficielle
de lapoudre.
Par contre, pour le
produit
enpaillettes,
cet effetde noircissement est tres peu
visible; cependant,
1’excitation de la
phosphorescence
subitd’importantes
modifications : l’intensit6 des
spectres
diminue et au lieu des deux maxima initiaux encadrant unminimum, apr6s
20 heuresd’irradiation,
on n’observeplus qu’un
seul maximum situe a
1’emplacement
du minimumpr6cit6.
La variation d’intensit6 des
spectres
est donc dif- f6rente suivant que 1’on a despaillettes
ou des micro-cristaux. On
peut expliquer
ces effets par la creation d’un écran absorbant a la foispassif
et actif pour l’excitation de laphosphorescence,
a la surface des cristaux. Avec lesproduits broy6s,
1’excitation seproduit plus
a la surface despreparations qu’avec
lespaillettes,
a cause de laplus grande
diffusion de la lumiere excitatrice par les microcristaux. Les varia- tions del’absorption passive
ont un rolepreponderant
pour les
produits
enpaillettes (diminution
des inten-sit6s) ;
par contre, ce sont les variations del’absorption
active
qui
ont ce role pour lesproduits broy6s (aug-
mentation des
intensites) .
J. Hedvall,
P.Walgren
et S. Mausson[4]
ont pupr6ciser
que le noircissement seproduisait
sur lesfaces laterales des
paillettes, lesquelles
ontg6n6rale-
ment une forme
hexagonale
li6e aux modes de cris- tallisation. Le noircissement seproduit
enpresence
de vapeur d’eau et est attribuable a une dissociation totale ou
partielle
duproduit
sur ces faces lat6rales,L’analyse
des résultatspubli6s
concernant la fluo-rescence de
CdI2(Cd) [5]
etl’absorption
des halo-g6nures m6talliques [6]
semblentindiquer
lapresence
de cadmium
m6tallique
en lui attribuant un role actif lors de la fluorescence etl’absorption
deCdI2.
De
plus, compte
tenu des structures cristallines deCdI2
et des dimensions de certaines sites
particuliers,
desinclusions de Cd ou de Cd+ en
position
interstitiellesont tres
possibles
a l’int6rieur du cristal et afortiori
sur les faces des cristaux.
Notre etude
exp6rimentale
etbibliographique
nouspermet
de penser que du cadmium Cd ou des ionsCd+, places plus particulierement
sur les faces lat6rales des cristaux deCdI2,
sont étroitement lies a 1’excitation de laphosphorescence
deCdI2.
Le noircissement n’existe
pratiquement plus quand
on
dispose
leproduit
sousvide;
lecryostat [7]
quenous avons utilise
permettait
de maintenir leproduit
dans un vide de 10-3 mm
Hg
et de ne pas etregene
par ce
phenomene
de noircissement.III .4. VARIATION AVEC LA TEMPERATURE. - Nous
avons
enregistr6,
de 20 °C a - 190OC,
lesspectres
d’excitation dephosphorescence
deCdI2
purbroye
asec. Au fur et a mesure que la
temperature baisse,
lespectre
sed6place,
en sedéformant,
vers lesgrandes energies ;
on observe lapresence
de maxima et deminima, mais,
alors que laposition
des maximachange
considérablement,
celle des deux minima observablessurtout aux basses
temperatures change
relative-ment peu :
W G. 2. - Excitation de la
phosphorescence. CdI2
purbroye
a sec.La
figure
2 donne lesspectres
d’excitation dephosphorescence
deCdl,
pour 20°C et - 190°C. Ilnous a paru necessaire
de
comparer cesspectres
avecceux de l’excitation de la fluorescence
jaune
deCdI2.
III.5. EXCITATION DE LA FLUORESCENCE JAUNE
DE
CdI2.
- Cesspectres
ont pu etreenregistr6s
de -190°C a - 28 OC avec le même
produit broye
a sec; ces spectres secomposent
de deux bandes :- la
premiere
de maximum :3,24
eV a - 190°C et3,20
eV a- 28°C;
- la seconde de maximum :
3,53
eV a -190 OC etLa
largeur
de ces bandes a mi-hauteur est faible :- pour la
premiere
bande :0,06
eV a -190 OC et0,25
eV a- 28 oC;
- pour la seconde bande :
0,14
eV a - 190 OC et0,33
eV a - 28 OC.Quelle
que soit latemperature,
laposition
desmaxima de ces deux bandes
correspond :
- D’une
part
aux maxima des bandes desspectres d’absorption
deCdI2 [8]
attribuées a 1’exciton[9, 10].
- D’autre
part
aux minima desspectres
d’excita- tion dephosphorescence.
Les
spectres
d’excitation de fluorescence et dephosphorescence
deCdI2
sont donc distincts.585
III.6. EXCITATION DE LA PHOSPHORESCENCE DES
HALOGENURES
METALLIQUES.
- Parmi leshalog6nures m6talliques proches
deCdI2,
nous avonscherche,
sans
succ6s,
un rapport entre les spectres d’excitation dephosphorescence,
le mode de cristallisation et lesspectres d’absorption
de telsproduits.
111.7. PROCESSUS D’EXCITATION DE PHOSPHORES- CENCE DE
CdI2.
- Lesspectres
d’excitation dephosphorescence
et de fluorescence deCdI2
sont nonseulement distincts mais
concurrentiels,
si l’on enjuge
par lacorrespondance
entre les minima despremiers
et les maxima des seconds. Il y a deux processus distinctsqui
coexistent lors deI’absorption
de la lumi6re par
CdI2.
Lemontage
d’étude de la fluorescence 6tant le meme que pour laphosphores-
cence
(sauf
pour laposition
duphotomultiplicateur),
nous avons pu determiner le rapport entre les inten- sit6s de fluorescence et celles de
phosphorescence :
ilest de 10 000 environ a - 190 OC. En raison de cette
valeur,
lors de 1’etude de lafluorescence,
on ned6tecte pas la
phosphorescence qui
esttrop
faible et, lors de 1’6tude de laphosphorescence,
1’existence de la fluorescence se manifeste par une « modulation » duspectre
d’excitation dephosphorescence.
Les
spectres
d’excitation dephosphorescence
deCd,2
doivent etre
corrig6s
de cetteabsorption
concurrentequi
d6forme ces spectres. Ils seprésentent
finalementsous la forme d’une bande
unique
de maximum : D’autre part, les valeurs du GAP d6termin6es par differentes m6thodes[11, 12] :
correspondent
a peupr6s
au d6but de la bande d’excitation dephosphorescence
du cote des faiblesenergies.
Deplus,
lesenergies
desspectres
dephoto-
conductivite mesur6es a 20 OC par Fotland
[13]
concordent avec celles de 1’excitation de la
phospho-
rescence de
CdI2 :
l’excitation dephosphorescence
de
CdI2
est donc due a une transition bande de valence-bande de conduction.IV. Excitation de
phosphorescence
de l’iodure de cadmiumdopd.
- Nous avons tout d’abordprepare
deux series de
produits :
- La
premiere
a etepr6par6e
parfusion;
nousavons
m6lang6
dans lesproportions
d6sir6es l’iodure de cadmium et l’iodure du metal aveclequel
nousvoulions le
doper.
Alors que latemperature
de fusionest de 387
°C,
latemperature
depreparation
étaitimpos6e
par latemperature
dedecomposition
dumoins fusible des deux iodures. On a ainsi obtenu 12
produits
ayant une concentration en atomes de metal dedopage,
par molecule deCdI2,
de 10-2.- La deuxi6me a ete
préparée
par dissolution de l’iodure de cadmium et de l’iodure du metaldopant
dans de 1’eau distillee
puis
parevaporation
de 1’eau.LE JOURNAL DE PHYSIQUE. - T. 28. N° 7. JUILLET 1967.
Tous les iodures n’6tant pas solubles dans
1’eau,
nousn’avons pu
preparer
ainsi que 8 corpsdopes
dont laconcentration en metal de
dopage
est de 10-3.Seuls les
produits dopes
au mercure et a1’argent
ont des
spectres
d’excitation dephosphorescence qui
different de ceux obtenus avec
CdI2
pur, si bien quece sont les seuls
dopages
que nous avons etudies endetail ultérieurement. Notons que le
dopage
par leplomb
n’influe pas sur 1’excitation de laphosphores-
cence, alors
qu’il
a une influence tresimportante
sur1’excitation de la fluorescence
jaune [14, 15].
IV .1. EXCITATION DE LA PHOSPHORESCENCE DE
CdI2(Hg).
- Tous lesproduits dopes
au mercure ont eteprepares
par voie aqueuse;quand
la concen-tration de mercure augmente de 10-5 a
10-2,
l’inten-site des spectres de
phosphorescence,
a20 °C,
croitde mani6re
homothétique :
cequi
montre que lemercure
joue
un role dans les centresresponsables
de la
phosphorescence.
A 20
°C,
le spectre d’excitation dephosphorescence
de
CdI2(Hg) comprend
une bandeunique perturbee
par une
absorption
concurrente vers 3 eV( fig. 3);
quand
latemperature s’abaisse,
on note und6place-
FIG. 3. - Excitation de la
phosphorescence. CdI2 (Hg) prepare
parevaporation
d’une solution aqueuse :ment du
spectre
du cote desgrandes energies
et onn’observe
l’apparition
des memes minima que dans lesspectres
d’excitation dephosphorescence
deCdI2
pur.En
plus,
entre 20 OC et - 160OC,
une nouvelle bande de maximum2,90
eVapparait.
D’autre
part,
lesspectres
d’excitation de la fluo-rescence rouge de
CdI2(Hg)
secomposent
de trois38
bandes :
deux, deja
rencontr6es avecCdI2
pur, et unenouvelle, qui
est due a l’introduction du mercuredans
CdI2.
Cette derni6re bande a son maximumvers
2,90
eV.On
peut
noter que lespectre
dephosphorescence
de
Hg2I2 comprend
une bandeunique
de maximum2,90
eV et que celui deHgI2 (iodure
utilise pour ledopage)
est different avec une bande de maximum voisin de2,2
eV.Dans
CdI2(Hg),
on a un nouveau processus d’exci- tation du au mercure etpeut-etre plus pr6cis6ment
a des inclusions de
Hg2I2.
IV. 2. EXCITATION DE LA PHOSPHORESCENCE DE
CdI2(Ag).
- L’iodured’argent
6tantpratiquement
insoluble dans
1’eau,
tous lesproduits dopes
aI’argent
ont ete
prepares
par fusion a 550 °C. A latemperature ordinaire,
lespectre
dephosphorescence
deCdI2(Ag)
est tres
proche
de celui deCdI2,
mais a bassetemp6-
rature, du cote des faibles
energies, apparaissent
denouvelles bandes dont
l’importance
croitquand
laconcentration en argent
augmente.
Ces nouvelles bandespeuvent s’expliquer
par uneexcitation,
d’unepart
ensurface,
et d’autrepart
enprofondeur,
deAgI
pur. Meme a -190
OC, AgI
nepr6sente qu’une phosphorescence
tr6sfaible;
il semble donc falloir attribuer auxcaracter istiques optiques d’absorption
de
Cd12 l’augmentation
de l’intensit6 de cettephos- phorescence
dansCdI2 (Ag) .
Ainsi,
il semble que, dansCdI2(Ag),
onaitune juxta- position
d’iodure de cadmium et d’iodured’argent,
etque ce
m6lange
favorise 1’excitation de laphospho-
rescence de
AgI.
V. Conclusion. - Cette etude de 1’excitation de la
phosphorescence
deCdI2
apermis
de localiser surles faces lat6rales des
paillettes hexagonales
les centresd’excitation et d’attribuer ces centres a du cadmium Cd
ou a des ions Cd+. Lors de ce processus
d’excitation,
un electron
passerait
de la bande de valence dans la bande deconduction;
en admettantqu’il
vienne sefixer dans des centres Cd+
qui
deviennent ainsi descentres
Cd,
onexplique
lapresence
de Cd+ et de Cdet leur role dans les excitations de fluorescence et
phosphorescence
et dans l’émission de fluorescence deCdI2.
Les effets du
dopage
au mercure, ou aI’argent,
peuvent
s’expliquer
par unejuxtaposition
deCdI2
etde
Hg2I2
d’une part, et deAgI
d’autrepart.
Alorsque ces derniers iodures ont une
phosphorescence
defaible intensite a 1’6tat pur,
lorsqu’ils
sont inseres dans le reseau deCdI2,
cettephosphorescence
augmente;les centres
d’excitation, qui
existentdeja
dans lesiodures
dopants
a 1’6tat pur, sontplus
excitables dans l’iodure de cadmiumdope.
Manuscrit reçu le 25 novembre 1966.
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Résumé d’unepartie
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