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Pertes caractéristiques des électrons dans TlCl, TlBr, Tl I et calcul des fonctions optiques entre 3 et 25 eV

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(1)

HAL Id: jpa-00207244

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00207244

Submitted on 1 Jan 1972

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Pertes caractéristiques des électrons dans TlCl, TlBr, Tl I et calcul des fonctions optiques entre 3 et 25 eV

J. Frandon, B. Lahaye

To cite this version:

J. Frandon, B. Lahaye. Pertes caractéristiques des électrons dans TlCl, TlBr, Tl I et cal- cul des fonctions optiques entre 3 et 25 eV. Journal de Physique, 1972, 33 (2-3), pp.229-235.

�10.1051/jphys:01972003302-3022900�. �jpa-00207244�

(2)

PERTES CARACTÉRISTIQUES DES ÉLECTRONS DANS TlCl, TlBr, Tl I ET

CALCUL DES FONCTIONS OPTIQUES ENTRE 3 ET 25 eV

J. FRANDON et B. LAHAYE

Laboratoire de

Physique

des Solides

(*),

Université Paul Sabatier

118,

route de

Narbonne,

31-Toulouse 04

(Reçu

le 21

juillet 1971)

Résumé. - Les pertes d’énergie caractéristiques subies par un faisceau d’électrons de 20 keV à la traversée de films de TlCl, TlBr et TlI ont été mesurées avec un spectrographe magnétique. Les

constantes optiques sont calculées par une analyse de Kramers-Kronig à partir de la fonction 2014 Im 1/03B5, et sont comparées aux mesures d’absorption et de réflectivité. Les spectres sont interprétés

à l’aide d’un récent calcul de structure de bande.

Abstract. 2014 Energy loss spectra of 20 keV electrons have been measured in transmission of thallous halides films. From the energy loss function 2014 Im 1/03B5, optical constants are calculated by

means of Kramers-Kronig analysis and compared with absorption and reflectance data. The observ- ed singularities are interpreted in terms of plasma loss and band structure.

Classification

Physics Abstrdcts : 18.0, 18.10

I. Introduction. - La structure

électronique

des

halogénures

alcalins a fait

l’objet

de nombreux tra- vaux, basés en

particulier

sur la mesure du

pouvoir

réflecteur dans l’ultraviolet à vide et la mesure des pertes

caractéristiques

des électrons. Les spectres

ont été

interprétés

de

façon

satisfaisante à l’aide des calculs de structure de bande effectués par

plusieurs

auteurs. Ils se caractérisent par une structure essen-

tiellement

excitonique.

Les

halogénures

de thallium diffèrent des

halogé-

nures alcalins notamment par leur

grande

constante

diélectrique optique

et par un seuil

d’absorption

à

plus

faible

énergie (3

eV

environ).

Leurs

propriétés plastiques

rendent difficile l’obtention de bonnes surfaces pour les études

optiques

et la mise en évidence

de structures

excitoniques

est délicate.

Les études effectuées

jusqu’ici

ont surtout

porté

sur la

région

du spectre voisine du seuil

d’absorption : Zinngrebe [1],

Lefkowitz

[2],

Bachrach et Brown

[3],

ont mis en évidence à basse

température

les transitions

excitoniques

dans TICI et TIBr par la mesure de

l’absorption optique.

Brothers et

Lynch [4]

ont étudié

la variation du seuil

d’absorption

sous l’influence d’une

pression hydrostatique.

Dans la

région comprise

entre 3 et 21

eV,

Hinson

et Stevenson

[5]

ont mesuré le

pouvoir

réflecteur

d’échantillons massifs de TICI et TIBr et ils en ont déduit les fonctions

optiques

par la méthode des deux

angles

et par

analyse

de

Kramers-Kronig ;

ils font une

comparaison

entre les deux méthodes.

Sakurai et Mannami

[6]

ont

publié

les spectres de (*) Associé au C. N. R. S.

pertes

caractéristiques d’énergie

des électrons dans

TICI, TIBr, TII,

mais l’intensité des spectres est donnée

en unités

arbitraires,

ne pouvant conduire à aucun

calcul

quantitatif.

L’interprétation

de tous les résultats

expérimentaux

s’est révélée délicate parce

qu’aucun

calcul de bande

n’avait été

publié

avant la

parution

du travail d’Over-

hof et Treusch

[7]

sur TICI et TIBr. Ces auteurs mon-

trent que le gap direct se situe au

point

X de la zone

de Brillouin et identifient

l’origine

de la structure

observée par Bachrach et Brown.

La mesure des pertes

caractéristiques d’énergie

par transmission

présente quelques

avantages par

rapport aux mesures

optiques traditionnelles ;

d’une part, elle permet de s’affranchir des conditions de

surface,

ce

qui

est

important

dans le cas des corps

hygroscopiques

et non

clivables ;

d’autre part, le domaine

d’investigation

est très étendu et l’on peut

facilement mettre en évidence des excitations

d’énergie supérieure

à 20 eV.

Dans le travail

qui

est

présenté ici,

l’intensité des spectres

d’énergie

d’un faisceau d’électrons de 20 keV traversant des films minces de

TICI, TIBr,

TII a été

mesurée. Ces solides

possèdent

la

symétrie cubique

et la

comparaison

des fonctions

optiques

déduites

de nos mesures par

analyse

de

Kramers-Kronig

et

des fonctions

optiques

tirées des mesures

optiques [5]

permet une discussion utile des

interprétations

et des

méthodes elles-mêmes.

II. Conditions

expérimentales.

- Les mesures sont

faites par transmission dans un

spectrographe magné- tique

à déviation de 900

[8]. L’énergie

des électrons

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01972003302-3022900

(3)

230

incidents est de 20

keV,

la

largeur

à mi-hauteur de la focale

élastique

est

comprise

entre

0,8

et

1,0

eV.

L’ouverture du faisceau

électronique analysé, après

traversée de

l’échantillon,

est de l’ordre de 10-3 rd.

Les échantillons sont des couches minces d’environ 1 000

A d’épaisseur, préparées

par

évaporation

ther-

mique

sous vide sur un mince support de collodion

préalablement déposé

sur une

grille

de

microscopie électronique.

Cette dernière est

placée

dans un porte-

objet

refroidi par une circulation d’azote

liquide,

et conçu de

façon

à ralentir la contamination :

l’objet

est

porté

à une

température comprise

entre 77 OK

et 273

OK,

et il existe un

gradient

de

température

entre

l’échantillon et la

gaine

extérieure du

porte-objet.

Un

balayage

sur le

champ magnétique

permet de faire défiler le spectre devant une

fente,

derrière

laquelle

est

placé

le

système

de détection. La durée

d’enregistrement

d’un spectre étendu sur 30 eV est d’environ quatre minutes.

Les courants

électroniques

sont mesurés par un ensemble comprenant :

- un

multiplicateur

d’électrons du type « Channel- électron », donnant naissance à des

impulsions néga- tives ;

- une chaîne de comptage des

impulsions,

étalon-

née en coups par seconde.

Pour des électrons de 20

keV,

l’efficacité de détec- tion est de l’ordre de 10

%.

Les conditions

expérimentales

sont choisies de

telle sorte que les courants mis en

jeu

lors de l’enre-

gistrement

du spectre soient de l’ordre de

quelques

centaines de coups par seconde

(correspondant

à

quelques

10-16

A).

A de telles

intensités, l’amplitude

du bruit reste dans des limites

acceptables.

L’étalonnage

en

énergie

des spectres est réalisé à

partir

d’un spectre

déjà

connu

(aluminium).

Pour

l’exploitation

des spectres, il est nécessaire de faire

une

statistique

sur un

grand

nombre

d’enregistrements,

pour déterminer avec

précision

aussi bien la

position

en

énergie

que l’intensité relative des maximums.

III. Fonction

perte d’énergie.

- La densité de

probabilité

pour

qu’un

électron

d’énergie Eo,

tra-

versant une couche

cristalline, perde

une

énergie E,

et soit diffusé sous un

angle 0,

à l’intérieur d’un

angle

solide infinitésimal

dQ,

est déduite de la théorie

diélectrique [9], [10] ;

elle s’écrit à un facteur

près :

8 est la constante

diélectrique complexe,

D

l’épais-

seur de

l’échantillon,

et

(JE

=

E/2 Eo.

Si la couche cristalline est assez

mince,

les

phéno-

mènes d’excitation

multiple

peuvent être

négligés, particulièrement

pour des solides non

métalliques.

Pour obtenir l’intensité

I,(E, 0)

du faisceau d’électrons diffusés

inélastiquement,

il faut toutefois tenir compte des fonctions de distribution

énergétique

et

angulaire

g(E)

et

f (0)

du faisceau d’électrons diffusés élasti- quement

(dont

l’intensité est

désignée

par

Io) :

elle

est donnée par la convolution de

Pi

avec les fonctions

g(E) etf (0)

En

séparant

les

intégrations

sur 0’ et E’

(voir [11]),

on aboutit pour une observation suivant

l’angle

0 =

0,

à la formule :

où :

et

La formule montre que nous ne pouvons pas accéder

directement,

à

partir

de nos spectres, à la fonction perte

d’énergie.

Nous devons passer par

quatre étapes

successives :

a)

Soustraction des pertes

d’énergie

dans le support de collodion.

L’enregistrement

d’un spectre obtenu

avec le seul support de collodion permet en

première approximation

de déterminer la contribution de ce

support au spectre final. Cette contribution est rela- tivement faible et ne

présente

pas une structure com-

plexe ;

une mauvaise évaluation de la perte dans le support de collodion introduit une erreur

toujours

inférieure à

10 %

sur la fonction perte

d’énergie.

b)

Dans un second temps, on divise la fonction

I,(E, 0)110

par la fonction

F(E),

ce

qui

donne une

fonction

proportionnelle

à

So(E).

Le calcul est fait

en prenant pour

f (0)

une fonction

gaussienne,

nor-

malisée à l’unité

pour 0

=

0,

et dont la

largeur

à mi-

hauteur est évaluée à 10-2 radian.

c)

La fonction

So(E)

est un

produit

de convolution de la fonction perte

d’énergie

« vraie » par la fonction

d’élargissement

propre de

l’appareil g(E).

Pour obtenir

l’allure de la fonction - Im

l/e,

nous avons utilisé

une méthode itérative décrite par

Burger

et Van

Cittert

[12].

A l’ordre n, on a :

(4)

Les fonctions

Sn(E)

sont

obtenues, après

normali-

sation de

g(E),

par des

produits

de convolution du type : 1

Cette méthode modifie sensiblement l’allure des spec- tres en affinant les

pics

sans toutefois en modifier

la

position

et le nombre. L’itération a été

arrêtée,

pour les spectres

présentés, à

l’ordre 5.

d)

Normalisation de la fonction perte. Dans un dernier temps, nous utilisons la formule de norma-

lisation :

obtenue en

séparant

les contributions des pertes du côté basses

énergies (domaine

de

l’infrarouge)

et du

côté

grandes énergies (domaine expérimental) [13].

La constante E = n2 est la

partie

réelle de la constante

diélectrique, extrapolée

pour les

grandes longueurs

d’onde.

L’application

de cette constante de norma-

lisation conduit à des ordres de

grandeur

convenables pour les fonctions

optiques.

Pour des

énergies

inférieures à 4

eV,

la fonction perte

d’énergie

est mal connue, car, dans cette

région,

la contribution de la focale

élastique

n’est pas tout à fait

négligeable.

Nous savons que la fonction perte

présente

dans cette

région

une croissance lente et

sans structure très nette

[3], [5].

Nous avons donc

extrapolé

nos fonctions perte

d’énergie jusqu’à

la

valeur du gap

indiquée

par les références

[3], [14].

Compte

tenu de cette

extrapolation,

les fonctions perte

d’énergie

Im

(- l/e),

pour

TICI,

TIBr et TII

sont données sur les

figures 1, 2,

3 et sont notées

P(E).

IV. Détermination des fonctions

optiques

à l’aide

des relations de

Kramers-Kronig.

- Deux relations

de

Kramers-Kronig

relient la fonction perte

d’énergie P(E)

et la

partie

réelle

p(E)

de

e-’(E).

Nous utilisons

la formule :

A

partir

des fonctions

p(E)

et

P(E),

nous calculons

toutes les fonctions

optiques

FIG. 1. - Fonction perte d’énergie - Im 1/E pour TICI.

FIG. 2. - Fonction perte d’énergie - Im 1/e pour TIBR.

FIG. 3. - Fonction perte d’énergie - Im 1/s pour TII.

(5)

232

n, k

et

Rs désignent respectivement

l’indice de réfrac-

tion,

l’indice d’extinction et le

pouvoir

réflecteur sous

incidence normale. Par

ailleurs,

nous déterminons le nombre effectif

d’électrons,

donné par :

où N est le nombre de molécules par cm3.

Nous avons réalisé un programme permettant de calculer

p(E)

et les fonctions

optiques

entre

0,2

et

150 eV. Pour des

énergies

situées au-delà de la der- nière

singularité

apparente sur les spectres, nous avons

pris,

pour la fonction

P(E),

une variation en E-3

[15].

Le pas

d’intégration,

déterminé par la

précision d’étalonnage

de nos spectres, est de

0,2

eV. Dans les

figures

4 à

6,

nous

présentons

les résultats obtenus

pour les fonctions 81 et 82. Il nous a semblé intéressant aussi de calculer la réflectivité sous incidence normale

(Fig. 7, 8, 9) qui

peut être

comparée

avec les mesures

effectuées sous incidence de 200 par Hinson et Steven-

son

[5].

En-dessous de 5 eV les fonctions e,, 92 et

Rs

ne sont

connues que de

façon approximative.

V. Résultats

expérimentaux

et discussion. - On constate une assez bonne

analogie

entre les spectres

présentés

ici et ceux

qui

sont obtenus par Hinson et Stevenson en ce

qui

concerne la

position

en

énergie

FIG. 4. - Parties réelle et imaginaire si et 82 de la constante

diélectrique 8 pour TICI.

FIG. 5. - Parties réelle et imaginaire el et e2 de la constante

diélectrique 8 pour TIBr.

FIG. 6. - Parties réelle et imaginaire el et e2 de la constante

diélectrique e pour TII.

FIG. 7. - Réflectivité de TICI.

FIG. 8. - Réflectivité de TIBr.

(6)

FIG. 9. - Réflectivité de TII.

des

pics,

pour TICI et

TIBr,

et les valeurs de e 1 et e2 pour TICI.

Cependant,

la

comparaison

fait

apparaître quelques

différences. D’une part, il semble que dans

[5]

à la fin du domaine

expérimental,

la méthode des deux

angles

est

plus appropriée

que

l’analyse

de Kramers-

Kronig qui

ne fait pas intervenir les

singularités

situées

au-delà de 20 eV. D’autre part, nos résultats montrent des ordres de

grandeur

voisins pour les fonctions perte

d’énergie

dans

TICI,

TIBr et

TII,

ce

qui

n’est pas le cas de la référence

[5] :

ceci

s’explique

par le fait

que nous avons

procédé

à une normalisation des fonctions perte

d’énergie,

à l’aide de constantes e,,,,

qui

sont très voisines pour les trois

composés ;

en

outre, comme cela a été

déjà dit,

les différences d’états de surface des échantillons n’entrent pas en

jeu

dans

notre cas.

Les fonctions el et e2

(Fig. 4, 5, 6) présentent

un

maximum très

prononcé

au

voisinage

du gap, associé naturellement à des faibles valeurs des fonctions perte

d’énergie.

Pour des

énergies

inférieures à celle du

plasmon,

nous remarquons comme Hinson et

Stevenson,

que les maximums des fonctions - Im

1/e,

el et E2 se succèdent dans cet ordre dans le sens des

énergies croissantes,

contrairement au cas des

halogénures

alcalins

(Tableau I) ;

la même situation semble se

produire

pour un certain nombre de solides à

grande

constante

diélectrique

comme on le constate par exem-

ple

sur les

figures

de la référence

[16].

Par contre, pour des

énergies supérieures

à celle du

plasmon

on retrouve l’ordre habituel de succession des maxi-

mums des fonctions

optiques.

En

dépit

de leur

grande

constante

diélectrique

et

de leur

petit paramètre

cristallin les

halogénures

de

thallium ont un caractère

ionique

et l’on doit s’atten-

dre à observer des structures

excitoniques

vraisem-

blablement moins

marquées

que dans les

halogénures

alcalins. Il serait intéressant de

procéder

à une étude

optique (pouvoir

réflecteur ou

absorption)

au-delà

de

6,5

eV et à basse

température

pour savoir si les transitions

excitoniques

sont bien

prépondérantes

dans les

halogénures

de thallium.

Dans la discussion

qui suit,

nous nous référons aux

figures

11 et 12 tirées de l’article de Overhof et Treusch.

Nous avons attribué les

pics

des spectres de fonctions

optiques

à des transitions

excitoniques

au

voisinage

de

singularités

de type

Mo, qui

sont nombreuses

d’après

la référence

[7] ;

l’attribution de ces

pics

à des

juxta- positions

de

singularités M i

et

M2

semble exclue

car il ne nous a pas été

possible

d’identifier des sin-

gularités Mi

sur le schéma de bande. Celui-ci étant

assez

complexe

compte tenu en

particulier

de

l’impor-

tance du

clivage spin-orbite

de la

première

bande de

conduction,

l’identification des

pics

observés est

assez difficile.

TABLEAU 1

Energie

en eV des maximums

des fonctions

BJ, B2, - lm 8-1

(7)

234

FIG. 10. - Nombre effectif d’électrons nef! pour TICI.

FIG. 11. - Schéma de structure de bande de TICI d’après

Overhof et Treusch.

FIG. 12. - Schéma de structure de bande de TIBr d’après

Overhof et Treusch.

Il semble que le

pic

situé autour de

6,4

eV dans la fonction 92

(Fig.

4 et

5),

soit dû à la

superposition

de deux transitions non résolues

désignées

dans la

référence

[3]

par les numéros 4 et 5. Le

pic

4 corres-

pond

à des transitions

R 6 + --> R6

pour

TIBr,

et

R6 --> R8

pour

TICI ;

le

pic

5 est attribué pour TIBr

à une transition

X: -+ Xi,

mais pour TICI il n’a pas été mis en évidence par Bachrach et Brown car il se

situe en dehors de leur domaine

expérimental.

La fonction - Im

1/E

de TIBr

présente,

comme dans

la référence

[5]

un

pic large

et mal résolu entre 7 et

10

eV,

ce

qui

se traduit sur 82 par un

épaulement

vers

8 eV et par un maximum à

10,6 eV ;

dans les spectres de

T1C1,

ce sont deux

pics

bien résolus

qui apparaissent

à

8,5

eV et 10 eV dans la fonction perte

d’énergie,

à 9 eV et

11,3

eV dans B2’

Plusieurs

transitions,

entre bandes de valence et

bandes de conduction élevées

pourraient

en être

l’origine.

Nous remarquons en

particulier

sur le schéma

de bande

qu’un pic excitonique pourrait

se trouver

au

voisinage

de deux bords

Mo, ri

ou

TÇ - F8+

(11,5

eV pour

TICI,

et

10,5

eV pour

TIBr) ;

le

clivage spin-orbite T6 - -rj

de

l’halogène

ne peut évidem-

ment pas être résolu.

Les maximums intenses de la fonction perte d’éner-

gie,

à

12,5

eV pour

TICI, 11,8

eV pour

TIBr,

et

12,6

eV

pour

TII,

ne

correspondent

pas à des maximums dans les fonctions el et 82, et peuvent être attribués

sans

ambiguïté

à l’excitation de

plasmons

de valence.

Dans cette

région,

le

pouvoir

réflecteur

présente

une

brusque

décroissance

(Fig. 7, 8, 9) ;

el et B2 vérifient

pour ces mêmes

énergies

les conditions d’excitation du

plasmon.

Celui-ci doit se trouver du côté des

grandes énergies

par rapport à une

singularité

de

type

M2

ou

M3.

On note

qu’une

transition

F6, - -ri (13

eV pour TICI et 12 eV pour

TIBr) correspond

à une

singularité M3.

La valeur de neff

correspondant aux énergies

d’exci-

tation du

plasmon

est de l’ordre de

5,5,

valeur autour de

laquelle

on observe un

palier (Fig. 10,

pour

TICI),

montrant une saturation des transitions interbandes dans ce domaine.

Si on se réfère à la

figure 10,

il semble

qu’avant

22

eV,

seules des transitions entre bandes de valence et bandes de conduction peuvent

exister,

le nombre d’électrons de valence n’étant pas

épuisé.

On peut

s’interroger cependant

sur la

possibilité

d’identifier les

pics

situés au-delà du

plasmon

par des transitions à

partir

de bandes

plus profondes.

En

particulier,

le

maximum de 82 situé à 13 eV pour TIBr

pourrait

être

attribué à une transition vers le minimum

X6

de la

première

bande de

conduction, depuis

la bande

correspondant

aux électrons Tl’ 5

d ;

en

effet,

Overhof

et Treusch situent cette dernière à environ 10 eV au-dessous du sommet de la bande de

valence,

soit

donc à environ 13 eV au-dessous de la

première

bande

de conduction. Pour

TICI,

le

pic

de

plasmon (12,5 eV),

peut masquer cette transition : il

présente

effecti-

(8)

vement une certaine

dissymétrie.

Pour

TII,

le

pic

très

large

observé à

12,6

eV dans la

fonction -Im E-1

est

probablement

la somme de

plusieurs pics,

le

plus

intense étant le

plasmon. Remarquons

que le calcul de la structure de bande de TII n’a pas été fait. Les deux

pics

suivants se retrouvent dans les fonctions perte

d’énergie

des trois

composés, pratiquement

aux

mêmes

énergies (15

eV et

16,8 eV).

Au-delà de 18

eV,

on n’observe

qu’une

structure très peu

marquée

dans

les courbes

représentatives

de sl, 82 et

Rs,

alors que les fonctions - Im

E-1

montrent encore des maximums

assez nets. Il est à noter que les conditions d’excita- tion d’un second

plasmon

semblent réalisées dans

TICI,

TIBr et TII vers 18

eV,

mais aucun

pic

de la

fonction perte

d’énergie

ne

correspond

clairement

à cette excitation.

VI. Conclusion. - Au cours de ce

travail,

nous

avons

essayé d’exploiter

les données

expérimentales

et de les

interpréter

en fonction d’un schéma de

structure de bande. On peut penser, comme ce fut le cas pour les

halogénures alcalins, qu’il

faudra des

expériences optiques

et aussi des calculs de bande

plus

raffinés et dans un domaine

d’énergie plus étendu,

pour arriver à une meilleure

compréhension

des

propriétés électroniques

des

halogénures

de thallium.

Remerciements. - Ce travail a été effectué sous

la direction de Monsieur F.

Pradal,

Directeur de Recherche au C. N. R. S. Nous le remercions pour les fructueuses discussions que nous avons eues avec

lui.

Bibliographie [1] ZINNGREBE

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