HAL Id: jpa-00207244
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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�
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 Sabatier118,
route deNarbonne,
31-Toulouse 04(Reçu
le 21juillet 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
deshalogénures
alcalins a faitl’objet
de nombreux tra- vaux, basés enparticulier
sur la mesure dupouvoir
réflecteur dans l’ultraviolet à vide et la mesure des pertes
caractéristiques
des électrons. Les spectresont été
interprétés
defaçon
satisfaisante à l’aide des calculs de structure de bande effectués parplusieurs
auteurs. Ils se caractérisent par une structure essen-
tiellement
excitonique.
Les
halogénures
de thallium diffèrent deshalogé-
nures alcalins notamment par leur
grande
constantediélectrique optique
et par un seuild’absorption
àplus
faibleénergie (3
eVenviron).
Leurspropriétés plastiques
rendent difficile l’obtention de bonnes surfaces pour les étudesoptiques
et la mise en évidencede structures
excitoniques
est délicate.Les études effectuées
jusqu’ici
ont surtoutporté
sur la
région
du spectre voisine du seuild’absorption : Zinngrebe [1],
Lefkowitz[2],
Bachrach et Brown[3],
ont mis en évidence à basse
température
les transitionsexcitoniques
dans TICI et TIBr par la mesure del’absorption optique.
Brothers etLynch [4]
ont étudiéla variation du seuil
d’absorption
sous l’influence d’unepression hydrostatique.
Dans la
région comprise
entre 3 et 21eV,
Hinsonet Stevenson
[5]
ont mesuré lepouvoir
réflecteurd’échantillons massifs de TICI et TIBr et ils en ont déduit les fonctions
optiques
par la méthode des deuxangles
et paranalyse
deKramers-Kronig ;
ils font une
comparaison
entre les deux méthodes.Sakurai et Mannami
[6]
ontpublié
les spectres de (*) Associé au C. N. R. S.pertes
caractéristiques d’énergie
des électrons dansTICI, TIBr, TII,
mais l’intensité des spectres est donnéeen unités
arbitraires,
ne pouvant conduire à aucuncalcul
quantitatif.
L’interprétation
de tous les résultatsexpérimentaux
s’est révélée délicate parce
qu’aucun
calcul de banden’avait été
publié
avant laparution
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 zonede Brillouin et identifient
l’origine
de la structureobservée par Bachrach et Brown.
La mesure des pertes
caractéristiques d’énergie
par transmission
présente quelques
avantages parrapport aux mesures
optiques traditionnelles ;
d’une part, elle permet de s’affranchir des conditions desurface,
cequi
estimportant
dans le cas des corpshygroscopiques
et nonclivables ;
d’autre part, le domained’investigation
est très étendu et l’on peutfacilement mettre en évidence des excitations
d’énergie supérieure
à 20 eV.Dans le travail
qui
estprésenté ici,
l’intensité des spectresd’énergie
d’un faisceau d’électrons de 20 keV traversant des films minces deTICI, TIBr,
TII a étémesurée. Ces solides
possèdent
lasymétrie cubique
et la
comparaison
des fonctionsoptiques
déduitesde nos mesures par
analyse
deKramers-Kronig
etdes fonctions
optiques
tirées des mesuresoptiques [5]
permet une discussion utile des
interprétations
et desméthodes elles-mêmes.
II. Conditions
expérimentales.
- Les mesures sontfaites par transmission dans un
spectrographe magné- tique
à déviation de 900[8]. L’énergie
des électronsArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01972003302-3022900
230
incidents est de 20
keV,
lalargeur
à mi-hauteur de la focaleélastique
estcomprise
entre0,8
et1,0
eV.L’ouverture du faisceau
électronique analysé, après
traversée del’échantillon,
est de l’ordre de 10-3 rd.Les échantillons sont des couches minces d’environ 1 000
A d’épaisseur, préparées
parévaporation
ther-mique
sous vide sur un mince support de collodionpréalablement déposé
sur unegrille
demicroscopie électronique.
Cette dernière estplacée
dans un porte-objet
refroidi par une circulation d’azoteliquide,
et conçu de
façon
à ralentir la contamination :l’objet
est
porté
à unetempérature comprise
entre 77 OKet 273
OK,
et il existe ungradient
detempérature
entrel’échantillon et la
gaine
extérieure duporte-objet.
Un
balayage
sur lechamp magnétique
permet de faire défiler le spectre devant unefente,
derrièrelaquelle
estplacé
lesystème
de détection. La duréed’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 desimpulsions 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 detelle sorte que les courants mis en
jeu
lors de l’enre-gistrement
du spectre soient de l’ordre dequelques
centaines de coups par seconde
(correspondant
àquelques
10-16A).
A de tellesintensités, l’amplitude
du bruit reste dans des limites
acceptables.
L’étalonnage
enénergie
des spectres est réalisé àpartir
d’un spectredéjà
connu(aluminium).
Pourl’exploitation
des spectres, il est nécessaire de faireune
statistique
sur ungrand
nombred’enregistrements,
pour déterminer avec
précision
aussi bien laposition
en
énergie
que l’intensité relative des maximums.III. Fonction
perte d’énergie.
- La densité deprobabilité
pourqu’un
électrond’énergie Eo,
tra-versant une couche
cristalline, perde
uneénergie E,
et soit diffusé sous un
angle 0,
à l’intérieur d’unangle
solide infinitésimal
dQ,
est déduite de la théoriediélectrique [9], [10] ;
elle s’écrit à un facteurprès :
où 8 est la constante
diélectrique complexe,
Dl’épais-
seur de
l’échantillon,
et(JE
=E/2 Eo.
Si la couche cristalline est assez
mince,
lesphéno-
mènes d’excitation
multiple
peuvent êtrenégligés, particulièrement
pour des solides nonmétalliques.
Pour obtenir l’intensité
I,(E, 0)
du faisceau d’électrons diffusésinélastiquement,
il faut toutefois tenir compte des fonctions de distributionénergétique
etangulaire
g(E)
etf (0)
du faisceau d’électrons diffusés élasti- quement(dont
l’intensité estdésignée
parIo) :
elleest donnée par la convolution de
Pi
avec les fonctionsg(E) etf (0)
En
séparant
lesintégrations
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,
àpartir
de nos spectres, à la fonction perted’énergie.
Nous devons passer parquatre étapes
successives :a)
Soustraction des pertesd’énergie
dans le support de collodion.L’enregistrement
d’un spectre obtenuavec le seul support de collodion permet en
première approximation
de déterminer la contribution de cesupport 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 erreurtoujours
inférieure à
10 %
sur la fonction perted’énergie.
b)
Dans un second temps, on divise la fonctionI,(E, 0)110
par la fonctionF(E),
cequi
donne unefonction
proportionnelle
àSo(E).
Le calcul est faiten prenant pour
f (0)
une fonctiongaussienne,
nor-malisée à l’unité
pour 0
=0,
et dont lalargeur
à mi-hauteur est évaluée à 10-2 radian.
c)
La fonctionSo(E)
est unproduit
de convolution de la fonction perted’énergie
« vraie » par la fonctiond’élargissement
propre del’appareil g(E).
Pour obtenirl’allure de la fonction - Im
l/e,
nous avons utiliséune méthode itérative décrite par
Burger
et VanCittert
[12].
A l’ordre n, on a :Les fonctions
Sn(E)
sontobtenues, après
normali-sation de
g(E),
par desproduits
de convolution du type : 1Cette méthode modifie sensiblement l’allure des spec- tres en affinant les
pics
sans toutefois en modifierla
position
et le nombre. L’itération a étéarrêtée,
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 bassesénergies (domaine
del’infrarouge)
et ducôté
grandes énergies (domaine expérimental) [13].
La constante E = n2 est la
partie
réelle de la constantediélectrique, extrapolée
pour lesgrandes longueurs
d’onde.
L’application
de cette constante de norma-lisation conduit à des ordres de
grandeur
convenables pour les fonctionsoptiques.
Pour des
énergies
inférieures à 4eV,
la fonction perted’énergie
est mal connue, car, dans cetterégion,
la contribution de la focale
élastique
n’est pas tout à faitnégligeable.
Nous savons que la fonction perteprésente
dans cetterégion
une croissance lente etsans structure très nette
[3], [5].
Nous avons doncextrapolé
nos fonctions perted’énergie jusqu’à
lavaleur du gap
indiquée
par les références[3], [14].
Compte
tenu de cetteextrapolation,
les fonctions perted’énergie
Im(- l/e),
pourTICI,
TIBr et TIIsont données sur les
figures 1, 2,
3 et sont notéesP(E).
IV. Détermination des fonctions
optiques
à l’aidedes relations de
Kramers-Kronig.
- Deux relationsde
Kramers-Kronig
relient la fonction perted’énergie P(E)
et lapartie
réellep(E)
dee-’(E).
Nous utilisonsla formule :
A
partir
des fonctionsp(E)
etP(E),
nous calculonstoutes 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.
232
n, k
etRs désignent respectivement
l’indice de réfrac-tion,
l’indice d’extinction et lepouvoir
réflecteur sousincidence normale. Par
ailleurs,
nous déterminons le nombre effectifd’électrons,
donné par :où N est le nombre de molécules par cm3.
Nous avons réalisé un programme permettant de calculer
p(E)
et les fonctionsoptiques
entre0,2
et150 eV. Pour des
énergies
situées au-delà de la der- nièresingularité
apparente sur les spectres, nous avonspris,
pour la fonctionP(E),
une variation en E-3[15].
Le pas
d’intégration,
déterminé par laprécision d’étalonnage
de nos spectres, est de0,2
eV. Dans lesfigures
4 à6,
nousprésentons
les résultats obtenuspour les fonctions 81 et 82. Il nous a semblé intéressant aussi de calculer la réflectivité sous incidence normale
(Fig. 7, 8, 9) qui
peut êtrecomparée
avec les mesureseffectuées sous incidence de 200 par Hinson et Steven-
son
[5].
En-dessous de 5 eV les fonctions e,, 92 et
Rs
ne sontconnues que de
façon approximative.
V. Résultats
expérimentaux
et discussion. - On constate une assez bonneanalogie
entre les spectresprésentés
ici et ceuxqui
sont obtenus par Hinson et Stevenson en cequi
concerne laposition
enénergie
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.
FIG. 9. - Réflectivité de TII.
des
pics,
pour TICI etTIBr,
et les valeurs de e 1 et e2 pour TICI.Cependant,
lacomparaison
faitapparaître quelques
différences. D’une part, il semble que dans[5]
à la fin du domaine
expérimental,
la méthode des deuxangles
estplus appropriée
quel’analyse
de Kramers-Kronig qui
ne fait pas intervenir lessingularités
situéesau-delà de 20 eV. D’autre part, nos résultats montrent des ordres de
grandeur
voisins pour les fonctions perted’énergie
dansTICI,
TIBr etTII,
cequi
n’est pas le cas de la référence[5] :
cecis’explique
par le faitque nous avons
procédé
à une normalisation des fonctions perted’énergie,
à l’aide de constantes e,,,,qui
sont très voisines pour les troiscomposés ;
enoutre, comme cela a été
déjà dit,
les différences d’états de surface des échantillons n’entrent pas enjeu
dansnotre cas.
Les fonctions el et e2
(Fig. 4, 5, 6) présentent
unmaximum très
prononcé
auvoisinage
du gap, associé naturellement à des faibles valeurs des fonctions perted’énergie.
Pour des
énergies
inférieures à celle duplasmon,
nous remarquons comme Hinson et
Stevenson,
que les maximums des fonctions - Im1/e,
el et E2 se succèdent dans cet ordre dans le sens desénergies croissantes,
contrairement au cas deshalogénures
alcalins
(Tableau I) ;
la même situation semble seproduire
pour un certain nombre de solides àgrande
constante
diélectrique
comme on le constate par exem-ple
sur lesfigures
de la référence[16].
Par contre, pour desénergies supérieures
à celle duplasmon
on retrouve l’ordre habituel de succession des maxi-
mums des fonctions
optiques.
En
dépit
de leurgrande
constantediélectrique
etde leur
petit paramètre
cristallin leshalogénures
dethallium ont un caractère
ionique
et l’on doit s’atten-dre à observer des structures
excitoniques
vraisem-blablement moins
marquées
que dans leshalogénures
alcalins. Il serait intéressant de
procéder
à une étudeoptique (pouvoir
réflecteur ouabsorption)
au-delàde
6,5
eV et à bassetempérature
pour savoir si les transitionsexcitoniques
sont bienprépondérantes
dans les
halogénures
de thallium.Dans la discussion
qui suit,
nous nous référons auxfigures
11 et 12 tirées de l’article de Overhof et Treusch.Nous avons attribué les
pics
des spectres de fonctionsoptiques
à des transitionsexcitoniques
auvoisinage
de
singularités
de typeMo, qui
sont nombreusesd’après
la référence
[7] ;
l’attribution de cespics
à desjuxta- positions
desingularités M i
etM2
semble excluecar il ne nous a pas été
possible
d’identifier des sin-gularités Mi
sur le schéma de bande. Celui-ci étantassez
complexe
compte tenu enparticulier
del’impor-
tance du
clivage spin-orbite
de lapremière
bande deconduction,
l’identification despics
observés estassez difficile.
TABLEAU 1
Energie
en eV des maximumsdes fonctions
BJ, B2, - lm 8-1234
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 de6,4
eV dans la fonction 92(Fig.
4 et5),
soit dû à lasuperposition
de deux transitions non résolues
désignées
dans laréférence
[3]
par les numéros 4 et 5. Lepic
4 corres-pond
à des transitionsR 6 + --> R6
pourTIBr,
etR6 --> R8
pourTICI ;
lepic
5 est attribué pour TIBrà une transition
X: -+ Xi,
mais pour TICI il n’a pas été mis en évidence par Bachrach et Brown car il sesitue en dehors de leur domaine
expérimental.
La fonction - Im
1/E
de TIBrprésente,
comme dansla référence
[5]
unpic large
et mal résolu entre 7 et10
eV,
cequi
se traduit sur 82 par unépaulement
vers8 eV et par un maximum à
10,6 eV ;
dans les spectres deT1C1,
ce sont deuxpics
bien résolusqui apparaissent
à
8,5
eV et 10 eV dans la fonction perted’énergie,
à 9 eV et
11,3
eV dans B2’Plusieurs
transitions,
entre bandes de valence etbandes de conduction élevées
pourraient
en êtrel’origine.
Nous remarquons enparticulier
sur le schémade bande
qu’un pic excitonique pourrait
se trouverau
voisinage
de deux bordsMo, ri
ouTÇ - F8+
(11,5
eV pourTICI,
et10,5
eV pourTIBr) ;
leclivage spin-orbite T6 - -rj
del’halogène
ne peut évidem-ment pas être résolu.
Les maximums intenses de la fonction perte d’éner-
gie,
à12,5
eV pourTICI, 11,8
eV pourTIBr,
et12,6
eVpour
TII,
necorrespondent
pas à des maximums dans les fonctions el et 82, et peuvent être attribuéssans
ambiguïté
à l’excitation deplasmons
de valence.Dans cette
région,
lepouvoir
réflecteurprésente
unebrusque
décroissance(Fig. 7, 8, 9) ;
el et B2 vérifientpour ces mêmes
énergies
les conditions d’excitation duplasmon.
Celui-ci doit se trouver du côté desgrandes énergies
par rapport à unesingularité
detype
M2
ouM3.
On notequ’une
transitionF6, - -ri (13
eV pour TICI et 12 eV pourTIBr) correspond
à une
singularité M3.
La valeur de neff
correspondant aux énergies
d’exci-tation du
plasmon
est de l’ordre de5,5,
valeur autour delaquelle
on observe unpalier (Fig. 10,
pourTICI),
montrant une saturation des transitions interbandes dans ce domaine.
Si on se réfère à la
figure 10,
il semblequ’avant
22eV,
seules des transitions entre bandes de valence et bandes de conduction peuventexister,
le nombre d’électrons de valence n’étant pasépuisé.
On peuts’interroger cependant
sur lapossibilité
d’identifier lespics
situés au-delà duplasmon
par des transitions àpartir
de bandesplus profondes.
Enparticulier,
lemaximum de 82 situé à 13 eV pour TIBr
pourrait
êtreattribué à une transition vers le minimum
X6
de lapremière
bande deconduction, depuis
la bandecorrespondant
aux électrons Tl’ 5d ;
eneffet,
Overhofet Treusch situent cette dernière à environ 10 eV au-dessous du sommet de la bande de
valence,
soitdonc à environ 13 eV au-dessous de la
première
bandede conduction. Pour
TICI,
lepic
deplasmon (12,5 eV),
peut masquer cette transition : il
présente
effecti-vement une certaine
dissymétrie.
PourTII,
lepic
très
large
observé à12,6
eV dans lafonction -Im E-1
est
probablement
la somme deplusieurs pics,
leplus
intense étant le
plasmon. Remarquons
que le calcul de la structure de bande de TII n’a pas été fait. Les deuxpics
suivants se retrouvent dans les fonctions perted’énergie
des troiscomposés, pratiquement
auxmêmes
énergies (15
eV et16,8 eV).
Au-delà de 18eV,
on n’observe
qu’une
structure très peumarquée
dansles courbes
représentatives
de sl, 82 etRs,
alors que les fonctions - ImE-1
montrent encore des maximumsassez nets. Il est à noter que les conditions d’excita- tion d’un second
plasmon
semblent réalisées dansTICI,
TIBr et TII vers 18eV,
mais aucunpic
de lafonction perte
d’énergie
necorrespond
clairementà cette excitation.
VI. Conclusion. - Au cours de ce
travail,
nousavons
essayé d’exploiter
les donnéesexpérimentales
et de les
interpréter
en fonction d’un schéma destructure de bande. On peut penser, comme ce fut le cas pour les
halogénures alcalins, qu’il
faudra desexpériences optiques
et aussi des calculs de bandeplus
raffinés et dans un domaine
d’énergie plus étendu,
pour arriver à une meilleurecompréhension
despropriétés électroniques
deshalogénures
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 aveclui.
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