ABSORPTION DES ULTRASONS DANS LES SEMICONDUCTEURS VITREUX

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Submitted on 1 Jan 1972

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ABSORPTION DES ULTRASONS DANS LES SEMICONDUCTEURS VITREUX

J. Durcek

To cite this version:

J. Durcek. ABSORPTION DES ULTRASONS DANS LES SEMICONDUCTEURS VITREUX. Jour- nal de Physique Colloques, 1972, 33 (C6), pp.C6-95-C6-98. �10.1051/jphyscol:1972622�. �jpa-00215140�

ABSORPTION DES ULTRASONS DANS LES SEMICONDUCTEURS VITREUX

J. DURCEK

Ecole Supérieure des Transports, Zilina, Tchécoslovaquie

Rksumé. - Des mesures d'absorption ultrasonore ont été effectuées en fonction de la tempé- rature sur les semi-conducteurs vitreux AszSes, Se-Ge et CdGeAsz. Dans le composé AszSe, une augmentation de l'atténuation a été observée au-dessous de 100 OK avec un maximum entre 15 OK-25 OK. Une tendance à l'augmentation de l'atténuation aux basses températures a été observée aussi dans le système Se-Ge. Ce comportement est discuté et comparé avec les propriétés thermiques des matériaux vitreux.

Absîract. - Temperature dependence of the absorption of the ultrasound in the semiconduct- ing glasses AszSes, Se-Ge and CdGeAsz was measured. In the AszSe, compound an increase of the attenuation below 100 OK was observed with a maximum between 15 OK-25 OK. The growth of the attenuation in the low temperature region was also observed in the Se-Ge system. This behaviour will be discussed and compared with the temperature behaviours of the glassy state materials.

1. Introduction. - Pendant les dix dernières années l'intérêt pour la recherche sur les semiconduc- teurs amorphes a augmenté en permanence. Les propriétés électriques, optiques et thermiques ont été principalement examinées. Pour l'interprétation des propriétés thermiques, des mesures de vitesse du son ont été nécessaires. Mais on a observé que I'atténuation peut aussi fournir des renseignements utiles. Les propriétés acoustiques de certains semi- conducteurs vitreux sont également intéressantes du point de vue pratique [ l ] . La vitesse et surtout I'atténuation sont sensibles aux changements de structure et les étudier peut être utile pour estimer les propriétés d'un nouveau composé. Nous avons étudié l'atténuation en fonction de la température dans le système As2Se3 dopé avec de l'iode et du cuivre, dans Se, Se-Ge et partiellement aussi dans CdGeAs,. Nous avons complété les mesures préli- minaires [2] et [3] pour obtenir une image plus complète des possibilités des études ultrasonores.

2 . Méthode de mesure. - Nous avons utilisé, pour mesurer l'absorption des ultrasons, la méthode classique des échos ultrasonores. L'atténuation a été déterminée soit à l'aide d'un comparateur d'atténuation Matec modèle 9000, soit à l'aide d'un atténuateur calibré et dans certains cas deux échos ont été sélec- tionnés et enregistrés en fonction de la température.

Pour éviter les variations rapides de température l'ensemble du porte-échantillon et du thermomètre était enfermé dans une boîte en laiton. La tempéra- ture était mesurée soit à I'aide d'une thermocouple, soit à l'aide d'une diode semiconductrice en contact avec le porte-échantillon. La variation de la tempé- rature était produite dans des vapeurs d'azote ou

d'hélium liquide. La grande valeur de la dilatation thermique, notamment dans Se, a causé des diffi- cultés pour le collage du quartz. Il fallait choisir, dans chaque gamme de température, un collage conve- nable.

Les échantillons se présentaient sous forme de cylindres de longueur comprise entre 5 et 25 mm et de diamètre entre 8 et 15 mm. Ils ont été préparés dans plusieurs laboratoires. Malgré cela aucune différence entre leurs propriétés n'a pu être observée, sauf dans le cas d'une manipulation thermique incorrecte. Celle-ci peut produire un grand change- ment dans la valeur absolue de l'atténuation et de sa dépendance de la température.

3. Résultats expérimentaux. - Sur la figure 1 nous avons représenté l'atténuation d'ondes longi- tudinales d'une fréquence de 54 MHz dans deux échantillons, l'un de As,Se3 pur et l'autre de As,Se, .Cu,,,,. Les différentes techniques précé- demment décrites et différents collages ont été utilisés pour déterminer l'atténuation dans le domaine de température 4 OK-300 OK. Nous avons pu effectuer les mesures aux très basses températures grâce a la générosité de M. le Professeur P. Biquard dans le Laboratoire d'Electricité Générale. Nous avons étudié plusieurs échantillons dopés avec du cuivre ou de l'iode, ces échantillons ont montré les mêmes carac- tères en ce qui concerne le changement de l'atténuation avec la température. L'influence du dopage est très sensible sur la partie de l'atténuation indépendante de la température.

Etant intéressés par le comportement aux très basses températures, nous avons essayé d'obtenir des renseignements supplémentaires par les mesures

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1972622

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que dans le cas des ondes longitudinales et représente une plus grande partie de l'atténuation totale.

Pour déterminer un changement éventuel du temps de relaxation, nous avons examiné la variation avec la fréquence de l'atténuation à différentes tem- pératures. Les résultats sont portés sur la figure 3.

FIG. 1. - Variation de I'atténuation d'ondes longitudinales de frbquence 54 MHz en fonction de la température dans

AszSe.Cuo,12 et AszSe3 pur.

O 50 100

f C M H z / de I'atténuation d'ondes transversales. La variation

avec la température de l'atténuation des ondes trans- versales n'a malheureusement pu être étudiée qu'aux températures de l'azote liquide. Les cas typiques sont portés sur la figure 2. L'augmentation de I'atténuation commence à une température beaucoup plus haute

FIG. 3. - Absorption en fonction de la fréquence. Ondes longitudina!es dans le As2Scs .Cuo, 1 2 : 1 . T == 77 OK ; 2.

T = 20 0K ; 3. T = 300 0K. Ondes transversales dans le A ~ z S e 3 . C u o . z ~ : 4. T

-

Pour les ondes longitudinales la variation avec la fréquence est presque identique dans toute la gamme des températures. Pour les ondes transversales on peut observer un changement qui indique une varia- tion du temps de relaxation avec la température.

Sur la figure 4 sont portées les valeurs de I'absorp- tion en fonction de la température pour Se, Se + 15 % at Ge et pour CdGeAs,. Alors que Se et As,Se, ont le même comportement, l'absorption a été trouvée indépendante de la température dans CdGeAs, même aux plus hautes températures (jus- qu'à 150 OC).

4. Discussion des résultats. - L'allure des courbes

5 cr = f (T) est bien différente de celle obtenue dans

des cristaux ainsi que dans les verres inorganiques.

Mais elle est semblable aux résultats obtenus par Krause et al. [ l ] sur les verres chalcogénures. Les semiconducteurs vitreux ont une structure différente de celle des verres typiques. Le degré de formation de ponts est beaucoup plus faible et les domaines 100 203 r r ' ~ ~ 300 d'ordre proche sont très petits. On les estinie d'après Frc. 2. - Absorption d'ondes transversales d'une fréquence des me;ures de conductivité thermique à quelques

54 MHz en fonction de la tempbrature : 1 . As.?Se3.Cu0,2s ; dizaines d'angstroms au maximum. C'est pourquoi

2 . AszSe,. IO. i z ; 3. A s S e , . nous supposons que les mouvements dans le réseau

non localisés basse fréquence, tandis que les ondes transversales peuvent interagir avec tous les modes non localisés. Ce temps est donc plus court pour des ondes transversales et augmente quand on abaisse la température. Ceci permet d'expliquer le change- ment plus rapide de l'atténuation avec la température.

D'après Mason [4] la formule (1) peut être exprimée à l'aide de l'énergie totale des modes acoustiques et des coefficients de Grüneisen avec une bonne approximation sous la forme

2 / : : , :

1: ;

où E, est l'énergie correspondant aux modes acous- tiques et les sont les coeflicients de Grüneisen.

Dans l'état .amorphe où I'interaction se produit

I seulement avec les modes non localisés la sommation

sera faite seulement sur ces modes. Dans le domaine

100 où on observe un plateau sur la courbe de la conducti-

'O0 T f K I 300 vité thermique, on constate une augmentation de

F,c;. 4. - A,,sorption en fonction de la température. Ondes l'éne'gie des rt-iodes non h3calisés [SI et cette augmen-

longitudinales : 1. Se, 30 ; 2. Se .+ 15 % at Ge, 39 ; tation peut être responsable de la croissance de 4. CdGeAs2, 33 MHz. Ondes transversales : 3. CdGeAsz, I'atténuation ultrasonore aux basses températures.

33 MHz. Si le mécanisme d'absorption discuté est véritablement

responsable du maximum aux basses températures, ne peuvent pas être le mécanisme dominant dans

la variation avec la température de I'atténuation, comme c'est le cas dans les verres typiques. Par contre les mécanismes d'absorption sont plus proches de ceux qui existent dans les cristaux. En tenant compte des très faibles conductivités électrique et thermique on peut négliger l'influence des électrons sur I'atténuation et aussi les pertes thermo-élastiques.

Mais I'interaction phonon-phonon peut contribuer à I'atténuation. Les théories de ce mécanisme dissi- patif mènent à des expressions de l'atténuation d u type

où C est la chaleur spécifique, T la température absolue, p la densité, y une grandeur liée à la constante de Grüneisen et v la vitesse du son. Comme c'était déjà souligné dans un travail précédent [2], pour le temps de relaxation ^T il faut prendre le temps de diffusion inélastique de phonons qui correspond aux modes acoustiques non localisés. Ce temps peut être bien différent du temps déterminé à I'aide de la conductivité thermique 121. La dépendance en fréquence a permis d'estimer sa valeur dans As2Se, à 6,3 x S. La variation de I'atténuation des ondes longitudinales en fonction de la fréquence portée sur la figure 3 montre que ce temps ne change pratiquement pas avec la température, ce qui est en accord avec l'hypothèse que nous avons faite. La différence entre les ondes transversales et longitu- dinales peut s'expliquer par le fait que les ondes longitudinales ne peuvent interagir qu'avec les modes

la formule (2) permettra de déterminer l'énergie des

« phonons libres », ce qui est un problème très actuel.

Pour l'absorption due à I'interaction phonon-phonon on pourrait approximativement prendre la partie de I'atténuation dépendant de la température. Mal- heureusement jusqu'à présent toutes les données nécessaires pour le calcul numérique ne sont pas connues.

Nous n'avons eu la possibilité de mesurer I'absorp- tion jusqu'à la température de l'hélium liquide que dans As2Se,, par conséquent la comparaison avec les autres matériaux n'est que partielle. Les mesures sur Se-Ge jusqu'à la température de l'azote liquide permettent de juger que les formations des ponts dans l'espace augmentent la variation de l'atténuation avec la température. L'atténuation dans le CdGeAs, est indépendante de la température probablement à cause de sa structure. Cette structure est tétra- édrique et plus homogène, et c'est pourquoi aussi l'atténuation due à la diffusion élastique est plus petite.

Les études ultrasonores des semiconducteurs amor- phes n'en sont encore qu'au début de leur dévelop- pement. Il manque une théorie consistante. Mais on peut déjà voir qu'elles peuvent apporter une nouvelle voie pour comprendre les processus de transport des phonons dans les matériaux vitreux.

Remerciements. - Je voudrais encore une fois remercier M. le Professeur P. Biquard pour la possi- bilité d'effectuer certaines mesures dans son labo- ratoire ainsi que pour l'intérêt permanent qu'il a porté à mon travail. Je remercie M. J. Lewiner pour des conseils et discussions utiles.

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Bibliographie

[l] KRAUSE J. T. et al., Appl. Phys. Lett. 17 (1970) 367. 141 MASON W. P., Physical Acoustics, Vol. III B, Aca- [2] DURCEK J. et al., J . of Non-Crystalline Solids 4 (1970) demic Press N. Y. and London.

66.

[3] DURCEK J., LEWINER J. et BIQUARD P., C . R. _Acad. [5] KLEMENS P. G . , Non-Crystalline Solids, John Wiley Sci. Paris B 271 (1970) 737. and Sons, N. Y. 1960.

DISCUSSION J. DE KLERK. - Could you tell me what the bulk

velocities are in the AsSe compounds you inves- tigated ?

J. DURCEK. - 1 cannot at present give you by heart the exact velocities but approximately they are

vL = 2 000 m.s-' v, = 900-1 000 m .s-'

for amorphous materials. 1 can give you the papers countaing exact values later.

CAMBON. - Peut-on obtenir ces semi-conducteurs vitreux sous forme de couches minces (par évaporation sous vide ou pulvérisation cathodique par exemple) ? Existe-t-il des travaux relatifs à une telle fabri- cation ?

J. DURCEK. - Oui, c'est possible, mais pour le moment il n'est pas encore évident que la structure reste la même. Je peux citer par exemple le travail de Richter et Breithing sur le Se (Zeitschrift für Naturforschung B 26a, 1699 (1971)) mais il existe aussi des travaux sur d'autres matériaux.