Étude de l'effet photoélectrique vectoriel dans les couches minces d'or

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Submitted on 1 Jan 1965

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Étude de l’effet photoélectrique vectoriel dans les couches minces d’or

Michel Pauty

To cite this version:

Michel Pauty. Étude de l’effet photoélectrique vectoriel dans les couches minces d’or. Journal de

Physique, 1965, 26 (2), pp.77-79. �10.1051/jphys:0196500260207700�. �jpa-00205929�

77.

ÉTUDE DE L’EFFET PHOTOELECTRIQUE VECTORIEL DANS LES COUCHES MINCES D’OR Par MICHEL PAUTY,

Laboratoire de Physique ^du Solide, Faculté des Sciences de Dijon. (1)

Résumé.

L’effet photoélectrique vectoriel de couches minces d’or est étudié à l’aide d’une caméra électronique Lallemand. Le rapport des sensibilités 03C1/03C1// lorsque le vecteur champ électrique ^est perpendiculaire (03C1) ^et parallèle (03C1//)

plan d’incidence est voisin de 1 lorsque l’épais-

seur des films tend vers 0 et est voisin de 0,3 pour des épaisseurs supérieures ^{à 200} Å.

Abstract.

The vectorial photoelectric effect of thin films of gold is studied with

Lallemand electronic camera. The ratio of sensitivities 03C1/03C1// ^when the electric vector vibrates perpendicu- larly ^or parallel ^{to the} plane ^of incidence, approaches ^{1 when the} thickness of the films appro- aches 0 and is nearly ^{0.3 for} thicknesses greater ^than 200 Å

LE JOURNAL DE

PHYSIQUE

26, ^FÉVRIER 1965,

Afin de pr6ciser le m6canisme de 1’emission

photoelectrique, ^{il est} int6ressant de connaitre l’influence de la direction de la vibration lumineuse

sur le rendement d’une photocathode. ^{Nous nous}

sommes donc proposes ^{d’étudier cette influence sur}

des couches minces d’or, d’épaisseurs variables, ^et

de voir s’il etait possible ^{de relier cet effet aux} propri6t6s optiques ^{de ces lames.}

I. Description ^du montage expdrimental.

Pour cette 6tude, ^{nous avons} utilise le montage

suivant : une lampe a vapeur de ^mercure 6claire la fente d’un spectroscope ^a optique ^de quartz. ^Entre

la photocathode ^{et le} spectroscope ^on interpose ^un prisme birefringent (Rochon) qui ^{d6double le} spectre ; ^la photocathode plac6e ^{dans le} plan ^focal

du spectroscope ^est donc 6clair6e par ^un spectre comprenant, ^{sur une moitié les} vibrations paral-

16]es au plan d’incidence et sur l’autre les vibrations

perpendiculaires ^au plan d’incidence [1].

FIG. 1.

C : Camera electronique.

^{D :} disque

^silice

fondue.

E : 6vaporateur.

^{M :} syst6me magnetique

de deplacement de la cathode.

P : vers pompe ^a vide.

Ph : photocathode.

^{PI :} plaque nucl6aire.

Pr : prisme bir6fringent.

Q : quartz piézoélectrique (Lostis).

S : spectroscope.

(1) ^{Ce travail}

^{ete presente}

^{colloque de photo6lee-}

tricit6 qui s’est tenu a Dijon ^{les 30 avril, leret 2 Mai 1964.}

La photocathode ^est constituée par ^une couche mince d’or d6pos6e ^{sur une lame de verre dans le}

vide meme de la camera 6lectronique ^Lallemand (vide ^{JO-6 mm} Hg). La lame mince est obtenue par

evaporation thermique ^et 1’epaisseur ^{mesur6e au}

moyen du syst6me ^Lostis (variation ^de f requence

d’un quartz piézoélectrique surcharge par ^un depot

lors d’une evaporation). La couche est ensuite

poussee ^au moyen d’un dispositif magn6tique ^dans

le champ ^de l’optique 6lectronique qui ^{acc6l6re et}

focalise les electrons 6mis dans le plan ^d’une plaque

nucléaire ( fig. 1).

II. Rdsultats expérimentaux.

^{Nous avons}

montre qu’il ^etait possible d’étudier 1’6mission

photoélectrique de couches tres minces, ^{donc tres}

lacunaires en projetant ^le spectre ^sur des couches

en gradins ^et nous avons pu ^{mettre en} evidence

un maximum de sensibilite photoélectrique ^au voisinage ^{de 15 A dans le cas des} couches minces d’or [2] ^et verifier que 1’6mission du support (verre)

etait négligeable. ^{Grace a notre m6thode utilisant}

la camera 6lectronique Lallemand il nous est pos- sible d’étudier des couches ayant ^{une resistance} pratiquement ^infinie.

Ceci nous a permis d’étudier l ’influence de 1’epais-

seur des couches minces sur 1’effet photoelectrique vectoriel, ^{notamment dans le} domaine des tres faibles 6paisseurs.

La densite optique ^{de la} plaque ^{nucl6aire (Ilford} G5) ^est sensiblement proportionnelle a la densite d’electrons _regus, la ^rnesure de la densite optique

sur les cliches fournit donc le rapport ^{des sensi-’}

bilit6s dp la photocathode Pl.! pII.

Pl ^est le rendement quantique correspondant ^à

une vibration lumineuse perpendiculaire ^au plan

d’incidence.

PII est le rendement quantique correspondant ^à

une vibration lumineuse parallele ^au plan ^d’inci-

dence.

P.L et ^p// sont rapport6s ^a la lumi6re ^incidente.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:0196500260207700

78

Sur le clich6 presente (fig. 2, epaisseur ¹⁰⁰ Á, angle d’incidence 700) ^on voit que la couche 6clair6e par des vibrations perpendiculaires ^au plan ^d’inci-

dence (EL) 6met moins d’61ectrons _que lorsque

celle-ci est 6clair6e par des vibrations paralleles ^au plan d’incidence (EII).I/égalité d’éclairement des deux spectres ^{f ormes sur la} photocathode ^{a 6t6}

v6rifi6e par photographie classique ^{en se} plaqant perpendiculairement ^au faisceau incident.

FIG. 2.

Couche mince d’or,

¹⁰⁰ A, ^{i = 700.}

Nous pouvons alors ^tracer la courbe donnant la valeur du rapport P.L f P// ^en fonction de J’épaisseur

e pour des couches minces d’epaisseurs ^variables.

Nous obtenons la courbe suivante qui correspond

a X

2 803 A (fig. 3).

FIG. 3.

Courbe p.Llp//

^f (e) ^X

²⁸⁰³ A.;

Sur cette courbe onjvoit que le rapport ^tend

vers 1 quand 1’epaisseur ^{des couches tend vers 0}

et garde ^{une valeur constante de} 0,3 quand 1’epais-

seur d6passe ^{200 A} (precision ^{des mesures 10} %).

III. Comparaisons entre l’effet photoélectrique

vectoriel observé ^{et les} propriétés optiques ^des

lames minces d’or.

a) ^CAS DES COUCHES D’APAIS-

SEURS SUPERIEURES A 200 Å.

Les valeurs des indices de réfraction v et d’absorption x pour les couches d’or 6vapor6es ^{sont connues} d’apr6s ^les

travaux de Male [3] ^et Philip [4]. ^Les propri6t6s optiques dependent ^{du mode de} preparation ^mais

nous pouvons admettre, ^en premiere approxi-

mation, que ^ces valeurs peuvent ^etre adopt6es

pour ^nos couches.

Nous avons donc cherche dans quelle ^mesure

1’effet photoélectrique vectoriel observe resultait d’une différence du pouvoir r6flecteur de la couche pour les deux polarisations.

Nous d6signerons par n

jx ^{l’indice com-} plexe de la couche mince ; ^{si i est} l’angle ^d’inci- dence, ^{on definit un} angle de refraction complexe ^r tel que :

et

avec p et q ^reels.

11 nous est possible ^{de tirer les valeurs de}

p

f (,v ; X, i) de q

g( v, X? i) connaissant ces

trois parametres.

Les formules de Fresnel nous donnent, ^{en ne}

consid6rant qu’une ^reflexion airfmétal (approxi-

mation correcte si les couches sont assez epaisses)

les resultats suivants :

- en amplitude, coefficient de reflexion pour les vibrations perpendiculaires ^au plan d’incidence

le pouvoir r6flecteur ou facteur de reflexion pour l’intensité est

- pour les vibrations parall6les ^au plan ^d’inci-

dence

le pouvoir r6flecteur est

Les intensites lumineuses p6n6trant ^effective-

ment dans la couche ^et donc responsables ^{de 1’effet} photoélectrique ^sont

le rapport ^{nous donne}

Nous avons donc calcule cette expression ^a partir

des resultats de Male _{pour les} longueurs ^d’onde

79

X, = ^{3 135} Å _{et À2 =} 2 653 A donnant les valeurs de v et X ^en fonction de l’ épaisseur des couches

en A ^{et nous} avons pris pour v et x des valeurs moyennes correspondant ^{a À}

^{2 900 Å.}

Dans le cas d’une incidence de 70°, ^{nous avons}

calcule la valeur de TLITII ^{pour des valeurs de} 1’epaisseur comprises ^{entre 200 et 500 4 et nous}

avons trouve un rapport TJ.ITII sensiblement cons-

tant et egal ^a 0,36. ^{Si nous} comparons ^ce r6sultat

avec le rapport Pl/Pn qui ^{etait de} 0,30 ^{nous obte-}

nons deux valeurs qui ^{a la} precision ^{des mesures} pres peuvent ^etre consid6r6es comme identiqiies.

&) ^{CAS DE LAMES D’OR TRES MINCES.}

^Nous

avons vu que le rapport pJ./ PII semble tendre

vers 1 lorsque 1’epaisseur ^des couches tend vers

zero. Le fait que ^ce rapport augmente lorsque 1’epaisseur ^diminue peut s’expliquer sommairement.

En effet, le coefficient de transmission de la couche tend vers

1 quand 1’epaisseur ^{tend vers} zero, quel

que ^soit l’ état de polarisation ^de la lumi6re inci-

dente, ^{donc toute} 1’6nergie ^{lumineuse doit} p6n6trer

dans la couche. Toutefois, l’interpr6tation ^th6o- rique rigoureuse ^{de 1’effet} photoélectrique ^vectoriel

necessite la connaissance du champ 6lectrique ^à

l’int6rieur de la couche ; ^{nous en} effectuons actuel- lement le calcul.

IV. Conclusions.

Dans toute cette 6tude, ^il

faut pr6ciser qu’un grand ^{nombre de param6tres} peuvent ^{varier en meme} temps que 1’6paisseur,

par exemple ^{la structure des} couches, ^la qualité ^du

vide ou la vitesse d’6vaporation ^et 1’evo ution ^de

la couche en fonction du temps.

Nos résuItats montrent que si l’on rapporte

1’effet photoélectrique ^a la lumi6re p6n6trant ^effec-

tivement dans la couche, les rendements photo- 6lectriques pour les vibrations perpendiculaires ^au plan d’incidence (.El) et parall6les ^au plan ^d’inci-

dence (Ell) ^sont sensiblement les memes. Le fait que la couche eclairee _par les vibrations El ^6mette

moins d’61ectrons _que lorsqu’elle ^est 6clair6e par des vibrations jE// ^{est donc un} phenomene ^en grande partie optique. ^Les interpretations faites ici sont valables dans le cas des lames assez épaisses ^en

tenant compte ^du pouvoir réflecteur et en n6gli- geant les reflexions multiples, ^{et dans le cas des}

lames tres minces en supposant que le coefficient de transmission de celles-ci est voisin de l’unit6.

Ces experiences ^montrent que s’il existe un effet

vectoriel, ^{celui-ci est assez} faible, ^ce que pourrait

laisser pr6voir ^la theorie fond6e ^sur 1’eflet de volume.

Ce travail a beneficie de 1’aide financi6re de la

Delegation ^{G6n6rale a la Recherche} Scientifique.

BIBLIOGRAPHIE

[1] ^PAUTY (M.), ^HARTMANN (P.) ^{et VERNIER} (P.), ^{C. R.}

Acad. Sc., 1962, 254, ^{453 à 455.}

[2] ^PAUTY (M.) et VERNIER (P.), C. R. Acad. Sc., 1963, 257, 1840-1842.

[3] MALÉ, ^Ann. Physique, Paris, 1954, 9, 10.

[4] PHILIP, Optica Acta, 1960, 7, ^n° 1, ^47-52.