PROPRIÉTÉS OPTIQUES ET PHOTOÉLECTRIQUES DES COUCHES MINCES DE CUIVRE DANS L'ULTRAVIOLET LOINTAIN

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Submitted on 1 Jan 1973

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PROPRIÉTÉS OPTIQUES ET

PHOTOÉLECTRIQUES DES COUCHES MINCES DE CUIVRE DANS L’ULTRAVIOLET LOINTAIN

F. Payan

To cite this version:

F. Payan. PROPRIÉTÉS OPTIQUES ET PHOTOÉLECTRIQUES DES COUCHES MINCES DE CUIVRE DANS L’ULTRAVIOLET LOINTAIN. Journal de Physique Colloques, 1973, 34 (C6), pp.C6- 79-C6-82. �10.1051/jphyscol:1973619�. �jpa-00215340�

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JOURNAL DE PHYSIQUE Co//oqzre C6, sripp/étnc~nl ulr r i o 1 1-1 2, Tot?re 34, ~\:oçc~i,ih~.c~-L)c;ce~)ib~~c 1973, yugc C6-79

PROPRIÉTÉS OPTIQUES ET PHOTOÉLECTRIQUES

DES COUCHES MINCES DE CUIVRE DANS L'ULTRAVIOLET LOINTAIN

F. PAYAN

Laboratoire dlEmission électronique

Université de Provence, Centre de Saint-Jérôme, 13397 Marseille Cedex 4

Résumé. - Une étude des propriétés optiques et photoélectriques des couches minces de cuivre est faite dans l'ultraviolet lointain. Une confrontation entre ces propriétés optiques et photoélec- triques permet de penser que l'effet de diffusion par création de plasma peut être identifie dans les courbes de distribution énergétiques.

Abstract. - Photoelectric and optical studies have been made on evaporated Cu films in ultra- high-vacuum around 10-9 torr in the range of photon energy 6.9 to 11.6 eV.

We obtain on thin films interesting experimental results which Vary with film thickness and the incident angle of light.

We suggest an interpretation of these results.

Une étude des couches minces de cuivre a été faite du double point d e vue des mesures optiques et photoélectriques, dans l'ultraviolet lointain entre 6,9 et 11,6 eV, sous un ultravide de torr.

Nous avons mesuré d'une part la transmission optique des couches minces de cuivre, d'autre part la distribution énergétique des photoélectrons émis par ces mêmes couches afin d'établir une confrontation entre les propriétés optiques et photoélectriques.

Dans l'intervalle spectral étudié nous avons obtenu des courbes de transmission ayant l'allure de celles représentées sur la figure 1. Sur cette figure les courbes A et B correspondent respectivement à des couches d'épaisseur massique 90 et 80

A.

Sur ces courbes

FIG. 1. - Courbes de transmission optique T = f (liv), en incidence quasi normale, pour deux couches d'épaisseur res-

pectives : 90 A (courbe A) et 80 ^{1 1}(courbe B).

apparaissent trois minimums ; on constate que l'un de ces minimums n'est pas déplacé par le changement de structure des couches, les deux autres minimums au contraire se déplacent quand l'épaisseur de la couche projetée change. Ceci nous a conduit à obser- ver l'influence sur ces courbes de transmission d'un autre paramètre, à savoir l'angle d'incidence de la radiation excitatrice sur la couche.

1 I I I I +

7 7,5 8 8,s 9 h 3 ( e ~ )

FIG. 2. - Variation de la transmission optique d'une couche de cuivre de 90 A d'épaisseur en fonction de l'énergie excitatrice,

pour plusieurs incidences.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1973619

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Nous avons donc tracé le réseau des courbes T = f'(l119, O) ; pour une couche de 90

A

d'épaisseur, par exemple, nous avons obtenu les résultats repré- sentés sur la figure 2. On constate ici encore que le mininlum situé vers 8,4 eV ne varie pas lorsque O varie, tandis que les deux autres minimums se dépla- cent, quand cet angle d'incidence varie.

Donc l'un de ces minimums n'est déplacé ni par un changement de structure des couches ni par la variation de l'angle d'incidence ; les deux autres minimums, au contraire, sont sensibles aux variations de ces deux paramètres.

Ces résultats ont été obtenus de façon générale sur l'ensemble des couches étudiées d'épaisseurs comprises entre 60 et 120

A.

On peut faire sur ces résultats les remarques sui- vantes :

Le minimum situé vers 8,4 eV peut correspondre à une transition interbandes. On sait que Ehrenreich et Philipp ont identifié une bande d'absorption située vers 8,4 eV avec une transition directe entre les niveaux X, et Xi

[Il.

Les coiiches de cuivre que nous étudions n'étant pas très minces, il a été montré qu'il est possible d'y retrouver la structure électronique du métal massif.

Par contre, le comportement des deux autres minimums, particulièrement leur comportement en fonction de l'incidence, rappelle beaucoup les résultats obtenus par Mac Alister et Stern sur la manifestation des oscillations de plasma dans les couches minces d'argent [2]. Une différence importante entre nos résultats et ceux de ces auteurs tient au fait que nous observons deux minimums, relativement proches, présentant les mêmes caractéristiques. Mais les couches que nous étudions sont granulaires. On sait alors que deux fréquences angulaires d'oscillation de plasiîia différentes interviennent, liées aux facteurs de forme des grains. Les deux minimünis que nous observons peuvent être un effet de ces oscillations de plasma dans les couches granulaires. Le dépla- cement observé en fonction de l'angle d'incidence est en faveur de cette hypothèse ; en effet, nous avons établi 2 ce siijet une analogie entre le déplacement des bandes d'absorption que nous observons et celui calculé théoriquement par Yamaguchi [3] pour les bandes d'absorption correspondant aux oscillations de plasma s'effectuant parallèlement et perpendiculai- rement au plan de la couche. Nous avons pour cela tracé les courbes théoriques d'après Yamaguchi dans le cas de nos propres couches granulaires. Cela donne pour la couche de 90

A

d'épaisseur les résultats résumés siIr la figure 3.

Les courbes tracées en traits pleins sont des courbes théoriques, et les points expérimentaux correspondent aux valeurs énergétiques des minimums de la figure 2.

On constate un bon accord.

Nous avons étudié ces mêmes couches minces de cuivre du point de vue des mesures photoélectri-

FIG. 3. - Courbes théoriques d'après Yamaguchi. Les points correspondent aux valeurs expérimentales.

ques et plus particulièrement du point de vue des distributions énergétiques des électrons émis.

Les courbes de distribution énergétique font appa- raître des irrégularités qui se présentent toujours dans les couches granulaires sous la forme de deux épaulements (Fig. 4).

Nous avons étudié, comme précédemment, l'influence sur la forme de ces courbes de distribution énergétique des paramètres : angle d'incidence de la radiation excitatrice et épaisseur des couches.

Comme dans l'étude optique, nous avons constaté une nette évolution des courbes lorsque 0 varie.

O

O 1 2 3 5 6 E e V

FIG. 4. - Distribution énergétique des photoélectrons émis en fonction de leur énergie cinétique d'extraction, pour une

couche de cuivre de 100 A d'épaisseur massique.

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PROPRIÉTÉS OPTIQUES ET PHOTOÉLECTRIQUES DES COUCHES M I N C E S DE CUIVRE C6-8 1 Nous montrons pour la couche de cuivre de 90

A

d'épaisseur trois courbes de distribution énergétique obtenues pour trois valeurs de O ( O = 5O, 8 = 100, 8 = 200) (Fig. 5). On constate que la position éner- gétique des épaulements varie avec 0 et dans tous les cas il existe une valeur d e O pour laquelle les deux épaulements sont confondus.

FIG. 5. - Distribution énergétique des photoélectrons émis en fonction de I'énergie de l'état initial, en eV, pour une couche de cuivre de 90 A d'épaisseur, et pour différentes valeurs de B.

D'autre part, nous avons constaté l'importance du paramètre épaisseur des couches sur la forme de ces courbes de distribution énergétique ; si la forme de ces courbes paraît peu changée en ce qui concerne les électrons de faible énergie cinétique, elle est affectée par le changement de structure dans sa partie corres-

FIG. 6. - Distribution énergétique des photoélectrons émis, en fonction de leur énergie cinétique d'extraction, pour une

couche de cuivre de 600 i\ d'épaisseur massiq~ie.

pondant aux électrons d'énergie cinétique plus élevée.

En effet, la position des épaulements varie avec l'épaisseur, pour les couches minces ; et surtout, on ne constate plus qu'un seul épaulement pour les couches épaisses. C'est ce que l'on peut voir sur la figure 6.

Donc ici encore, comme précédemment dans les mesures optiques, une remarque semble s'imposer : certaines caractéristiques des courbes dépendent de l'angle d'incidence et de la structure des couches.

L'une et l'autre de ces dépendances suggèrent I'in- tervention des oscillations de plasma dans la réponse photoélectrique du métal.

Cela peut être en effet confirmé par la nature des anomalies observées dans les courbes de distribution énergétique. En effet, on sait que le libre par- cours moyen est une fonction de I'énergie des photo- électrons, rapidement décroissante pour des électrons dont I'énergie d'excitation est supérieure à E,

+

ho,.

On peut donc s'attendre

a

ce que la distribution éner- gétique des photoélectrons se trouve atténuée pour des énergies supérieures a EF

+

^Aw,.Nous observons effectivement dans nos courbes de distribution de telles anomalies concrétisées par des épauleinents.

Dans le cadre de notre hypothèse, i l est facile de lier les valeurs des énergies d'émission sur lesquelles se produisent les anomalies avec les fréquences angulaires d'oscillation du plasma. On a en effet en écrivant le bilan énergétique de l'interaction

h o , = h w -

1

^{E i}

1 ,

h w étant I'énergie de la radiation excitatrice et Ei

I'énergie de l'état initial pour lequel apparaît I'épaii- lemen t.

On obtient alors les résultats suivants :

- Pour les couches massives de cuivre, on n'observe qu'un seul épaulement correspondant à une valeur h w , voisine de 7,2 eV. On peut l'attribuer à une oscillatiori de surface observée par de nombreux auteurs [4],

Pl, FI.

- Dans le cas des couches minces, on obtient deux valeurs de hm,, ce qui est compatible, comme nous l'avons dit avec la structure granulaire des

I I I I I I I b

O 10 20 30 60 8'

FIG. 7. - Courbes théoriques d'après les calculs de Yamaguchi.

Les points correspondent aux valeurs de hm,, déterminées par les mesures optiques (O) et photoélectriques (a).

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couches que nous étudions, et il est remarquable de transmission. C'est ce que l'on voit sur la figure 7 que ces valeurs sont en bon accord avec les valeurs où sont représentées en traits pleins et en points énergétiques des minimums de transmission. De plus, respectivement les courbes théoriques d'après les les variations avec l'angle d'incidence présentent calculs de Yamaguchi et les valeurs de hw, détermi- l'allure des variations correspondantes des minimums nées à partir des mesures optiques et photoélectriques.

Bibliographie

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