HAL Id: jpa-00206489
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Submitted on 1 Jan 1967
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Résistivité et pouvoir thermoélectrique d’alliages à base d’argent
B. Coqblin, J. Delaplace, V. Lévy, A.A. Gomes, J. Hillairet
To cite this version:
B. Coqblin, J. Delaplace, V. Lévy, A.A. Gomes, J. Hillairet. Résistivité et pouvoir ther- moélectrique d’alliages à base d’argent. Journal de Physique, 1967, 28 (1), pp.75-80.
�10.1051/jphys:0196700280107500�. �jpa-00206489�
RÉSISTIVITÉ
ET POUVOIRTHERMOÉLECTRIQUE
D’ALLIAGES A BASED’ARGENT
Par B.COQBLIN (1), J.
DELAPLACE(2),
Mlle V.
LÉVY (2),
A. A. GOMES(1), J.
HILLAIRET(2).
Résumé. 2014 On a mesuré la résistivité et le pouvoir
thermoélectrique d’alliages
diluésde sélénium et de
krypton
dans une matriced’argent.
Uneinterprétation
en termes de niveaulié virtuel sp est donnée pour
expliquer
les variations de résistivité et depouvoir
thermoélec-trique
de cesimpuretés
de la série4sp,
allant du zinc aukrypton,
dissoutes dansl’argent.
Abstract. 2014 The
resistivity
and the thermoelectric power of dilutealloys
of selenium andkrypton
in silver have been measured. Anexplanation by
sp virtual bound states isgiven
to account for the variations of
resistivity
and thermoelectric powers of theseimpurities
ofthe
4sp
series from zinc tokrypton
dissolved in silver.I. Introduction. - Les solutions solides de metaux
normaux tels que
l’aluminium,
le cuivre avec desimpuret6s
de metaux de transition ont 6t6largement
6tudi6es
depuis quelques
annees et leurspropri6t6s
ont pu etre en
grande partie interpretees
en intro-duisant la notion de niveau lie virtuel d
[1]. L’objet
de cet article est d’etudier des
alliages
dilu6s a based’argent,
avec desimpuret6s
de la serie4p
allant duzinc au
krypton,
et de voir s’il estpossible
d’inter-pr6ter
cesexperiences
par un mod6le d’6tat lie virtuel« p
».On sait
depuis longtemps [3-4]
que la r6sistivit6 residuelled’impuret6s
dezinc,
degallium,
de ger- manium et d’arsenic dans1’argent
augmente avec la difference Z de valence entre les deux constituants de1’alliage
et on a montre que cetteaugmentation
estsensiblement
proportionnelle
a Z2. Lepouvoir
thermo-électrique
de cesalliages
estnegatif
etaugmente
en valeur absolue avec Z.Nous avons ici
complete
ces resultats sur la r6sistivit6électrique
et lepouvoir thermoelectrique
avec ceuxrelatifs au selenium et au
krypton.
La r6sistivit6 resi- duelle dukrypton
est deux foisplus petite
que celle de 1’arsenic et lechangement
depouvoir thermoélectrique
est maintenant
positif.
Par ailleurs
[5-6],
on a aussi mesure la r6sistivit6 r6siduelle de tellesimpuretes
dans une matrice decuivre ou
d’aluminium;
pour lesalliages
a base decuivre,
la r6sistivit6 semble d6croitre apartir
duselenium
[5].
II. Mdthodes
expdrimentales.
- Pour laprecision
des mesures, il est
indispensable d’op6rer
sur des(1)
Laboratoire dePhysique
du Solide associe auC.N.R.S., Faculté des Sciences
d’Orsay, 91-Orsay.
(2)
Section de Recherches deMetallurgie Physique,
Commissariat a
l’Energie Atomique.
alliages
a concentration relativement6lev6e, pouvant
atteindre 1%
at. Lapreparation
des6prouvettes
cor-respondantes
nepresente
pas de difficult6particuli6re,
sauf en ce
qui
concerne lekrypton.
En
effet,
l’obtention de solutions solidesargent-
krypton
est rendue delicate par la tres faible solubilite du gaz rare. Cesalliages
ont 6t6prepares
pardecharge électrique
en cathodesplanes
suivant unetechnique deja
d6crite[7].
Par cettem6thode,
onpeut pr6parer
des solutions solides sursatur6es
m6tal-gaz
rare, dontla concentration est uniforme et
peut
varier dans delarges
limites.Plus
precisement,
la teneur enkrypton
desalliages
6tudi6s varie entre 10-3 et
0,2
atome pour cent. L’6tat du gaz rare est controle surchaque
echantillon par des examens demicroscopie electronique
et des d6ter-minations de
parametre
cristallin.Les mesures de
parametre
cristallin sont effectu6es a 1’aide d’un diffractomètre acompteur semi-pro- portionnel. Rtant
donne la texture desalliages Ag-Kr,
les mesures de
parametre
sont des mesures relativeseffectuées sur la raie 333 de
1’argent.
Les variations observ6es 6tant tresfaibles,
la sensibilite a ete am6- lior6e encomparant
leparametre
dechaque
échan-tillon
Ag-Kr
a celui d’un echantillond’argent
pur utilise comme etalon. Laprecision
de la mesure estde 1’ordre de
quelques
centièmes dedegr6.
Les observations au
microscope electronique
ont 6t6effectuées a 1’aide d’un
microscope JEM
5operant
à100 kV en double condenseur. En se
plaçant
dans lesconditions de resolution
optima,
il estpossible
ded6tecter des bulles de 10
k
dediamètre;
de toutefaçon,
les bulles de diametresuperieur
a 20A
n’ontpu
échapper
a 1’examen.Enfin,
la concentration enkrypton
dechaque alliage
a ete d6termin6e en fondant une
partie
des échan- tillons et en mesurant laquantite
dekrypton d6gag6.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:0196700280107500
76
Pour faciliter cette mesure, nous avons realise les
alliages
avec comme traceur dukrypton
85 ayant10,6
annees dep6riode.
La mesure de I’activit6 dukrypton
85d6gag6
est effectuée a 1’aide d’un ensemble decomptage P
- y muni d’un scintillateurplastique.
L’6talonnage
de la chambre decomptage
a ete effectu6en mesurant Factivite de volumes connus de
krypton
85.La sensibilite de la mesure est de
1,6
X 10-11 atomes-gramme de
krypton; cependant
de tres nombreuseserreurs
possibles
limitent laprecision
a 30%.
Les
techniques
mises en oeuvre sontclassiques.
Les6prouvettes
sont des lames de0,1
mmd’epaisseur environ;
leur resistanceelectrique
est mesur6e par une methoded’opposition
avecd6s6quilibre.
Pour lesdeterminations de
pouvoir thermoelectrique,
leséprou-
vettes sont
bloquees
achaque
extremite dans unsupport
massif en argent[9].
Une resistance bobin6esur chacun des
blocs-supports permet
de creer ungradient
detemperature.
Lesprises
depotentiel
sontdes fils
d’argent recuit,
depurete 99,99 %,
soudespar
point
aux extrémités de la lame. A 1’endroit de la soudure parpoint,
uncouple platine-platine
rhodi6vient au contact de 1’echantillon. L’ensemble est
place
dans un four sous vide
qui
assure latemperature
detravail d6sir6e entre 1’ambiante et 800 OC.
La connaissance simultanee du
pouvoir
thermo-électrique
descouples argent-solution
solide a based’argent
et de la r6sistivit6electrique
mesuree it lameme
temperature permet
deconnaitre,
selon laregle
de
Nordheim-Gorter,
lepouvoir thermoelectrique caracteristique
de 1’element en solution.III. Rdsultats
expérimentaux.
- Desprecautions particuli6res
ont eteprises
dans le cas deseprouvettes argent-krypton
pourseparer
les contributions respec- tives du gaz dissous et du gazprecipite.
Pour evaluer la
quantite
de gazdissous,
on utiliseles mesures de
parametre
cristallin. Eneffet,
le para- m6tre est tres sensible a lapresence
de gaz rare enFIG. 1. - Variation du
parametre
del’argent
en fonction de la teneur en
krypton.
solution. La
figure
1 montre que, dans les 6chantillons peucharges
en gaz, leparametre
augmente lin6aire-ment avec la concentration
totale,
alors que dans des 6chantillonsplus
fortementcharges,
ou le gaz est par- tiellementprecipite,
les valeursexp6rimentales
duparametre
se situent tres en dessous de cette droite.La
microscopie electronique
confirme ce classement : seuls suivent la relation lin6aire les 6chantillons nepr6sentant
pas de bulles.La
figure
2pr6sente
la variation de la r6sistivit6 a 20 OK en fonction de la teneur totale enkrypton.
LesFIG. 2. - Variation de la r6sistivit6 a 20 oK d’6chan- tillons
Ag-Kr
en fonction de la teneur enkrypton.
points experimentaux
se classent en deux groupes,avec d’une
part
ceux relatifs aux echantillons sansvariation sensible de
paramètre,
et d’autrepart
ceuxrepr6sentatifs
des echantillonspresentant
une variationnotable de
paramètre.
En considerant que, dans les echantillons ou le para- m6tre a
varie,
tout le gaz est a 1’etatdissous,
onobtient,
a
partir
de la relation lin6aire deresistivite fig. 2),
une efficacité
apparente
de 4 X 10-6 ohm X cm paratome pour cent de
krypton
dissous. Cette estimationneglige
la contribution des dislocations et des autresd6fauts. En
fait,
lesalliages
6tudi6spresentent
unedensite de dislocations
6lev6e,
inh6rente a la m6thoded’introduction du gaz rare. L’efficacité calculee est
donc une valeur par exc6s de la contribution du gaz dissous a la resistivite.
Cette valeur est
reportee
sur lafigure 3,
en memetemps
que la resistivite des diff6rents elements 6tu- di6s[3-4]
en fonction de leur num6roatomique.
Ony constate 1’existence d’un
maximum, qui
se situeraitau
voisinage
du selenium ou de 1’arsenic.En ce
qui
concerne la determination dupouvoir
FIG. 3.
thermoelectrique caracteristique
dukrypton
dans 1’ar-gent,
on rencontre les memes difficult6s pourseparer
les contributions du gaz et des diverses
imperfections presentes
dans lesalliages
6tudi6s.On a d’abord mesure le
pouvoir thermoelectrique
de lames
d’argent
pur(99,9 %)
obtenues parlaminage
de
I’argent
utilise dans lapreparation
desalliages
6tudi6s
(Ag-Kr, Ag-Se).
Ce materiau 6tant moins pur que celui constituant lesprises
depotentiel,
lecouple correspondant
a unpouvoir thermoélectrique n6gatif.
Un
6crouissage
ult6rieur releve la valeur mesur6e àun niveau voisin de zero.
Le
pouvoir thermoélectrique
desplaquettes qui
nepresentent
pas de variation deparametre
est faible-ment
n6gatif (fig. 4)
et sensiblement du meme ordre degrandeur
que celui desplaquettes d’argent
pur fortement écroui. Ce resultatpeut s’interpreter
facile-ment. En
effet,
la densite de dislocations desplaquettes
de
decharge
est 6lev6e. Le gazprecipite
en bullesapporte
une contribution peuimportante
aupouvoir thermoelectrique.
Onpeut
donc s’attendre dans cecas a un
pouvoir thermoélectrique comparable
a celuides
6prouvettes d’argent
de memepuret6,
fortementécroui.
Le
pouvoir thermoélectrique
des6prouvettes pr6-
sentant une variation de
parametre
est, aucontraire,
fortement
positif.
Cetteaugmentation pourrait
etredue a la
presence
d’une densite de dislocationsplus importante. Cependant
lamicroscopie electronique
montre que cette dernière est a peu
pres
la memedans toutes les
6prouvettes
dedecharge, qu’elles pr6-
sentent ou non une variation de
paramètre.
L’effetobserve
représente
donc la contribution dukrypton
dissous.
Pour s’assurer que cette contribution
positive
aupouvoir thermoélectrique
etait bien celle du gaz ensolution,
nous avons effectu6 des mesuresjusqu’h
destemperatures
ou le gaz,d’apres
des resultats ant6rieurs de r6sistivit6électrique, precipite [8].
On observe effectivement
(fig. 4)
une chute du pou- voirthermoélectrique
apartir
de 500°0, temperature
ou se
produit egalement
un abaissement de la r6sis- tivit6électrique.
Ce stade de restauration avait 6t6attribué,
a l’aide d’observations enmicroscopie
elec-tronique [3]
a laprecipitation
du gaz en bulles.Il faut insister ici sur le fait que le gaz en solution
ou en bulles a pour effet d’ancrer
energiquement
lesdislocations;
lamicroscopie electronique
révèle des densites de dislocationsqui
restent 6lev6esjusque
vers850 OC. La chute brutale du
pouvoir thermoelectrique
vers 500 °0 ne semble donc pas
pouvoir
etreattribu6e,
du moins
totalement,
a un recuit de dislocations.Les resultats relatifs au
pouvoir thermoelectrique
calcul6s par la loi de Nordheim-Gorter sont
port6s
sur la
figure 5,
en fonction du num6roatomique
de1’element consid6r6.
On constate que le
pouvoir thermoélectrique
carac-t6ristique
des diff6rents elements 6tudi6s esttoujours negatif,
sauf pour lekrypton.
L’6tude n’a pu etre faite pour lebrome,
pourlequel
lesalliages
sontdifficiles a
preparer.
IV.
Interprdtation théorique. - a)
MODELE. - Onsait que,
quand
on dissout dans un metal comme1’argent
desimpuret6s
de meme valence telles que les alcalins et les autres metauxnobles,
les r6sistivit6s resi- duellesproduites
sont faibles : lepotentiel perturbateur
du a un atome
d’impuret6
estfort,
mais il estjuste
suffisant pour modifier la structure de l’ion interne et
le nombre d’etats lies sous la bande de
conduction;
ces modifications
changent
lapartie
interne des fonc- tions de la bande de conduction dans le volume del’impuret6,
et enparticulier
le nombre de surfaces nodalesspheriques,
mais sanschanger beaucoup
leurcomportement
entre les atomes. L’introduction d’un tel atomed’impurete
diffuse peu les electrons deconduction;
si ceux-cipeuvent s’analyser
comme deselectrons
libres,
lesd6phasages 81
introduits par 1’atomed’impurete
sont tres voisins de nombres entiers de fois 7t, ces nombres entierscorrespondant
au nombred’6tats internes de meme
symetrie
introduits ou sup-prim6s
lors de l’introduction del’impuret6.
Ainsi pourAg-Cu,
dans cetteapproximation, ao 2 81 N a2 f-- - 7r
et
31
~ 0 pourl >
3. C’est Ih une despropri6t6s
fon-damentales du tableau
p6riodique, analogue
de 1’effetRamsauer-Townsend pour la diffusion des electrons par les atomes libres.
Si maintenant on dissout successivement dans une matrice monovalente comme
1’argent
les elementsd’une s6rie de
transition,
celle situee parexemple
entre le cuivre et le
potassium,
on observe des r6sisti- vites residuellesplus
6lev6es. La courbe de ces r6sis-tivit6s en fonction du num6ro
atomique
del’impuret6 pr6sente
deuxpics qui s’expliquent
bien par un rem-plissage progressif et
successif des deux demi-couches 3d despins opposes.
En termes ded6phasages,
lesd6pha-
sages
correspondants 82+
et82_ passent progressive-
ment de - 2n a - 7t,
quand
on decrit la serie de78
FIG. 4. - Pouvoir
thermoelectrique
dethermocouples Ag-Kr-Ag
pur recuit([.LV/oK
x102).
transition 3d du
potassium
au cuivre. Les valeurs inter- m6diairesprises
para2
au niveau de Fermi corres-pondent
auremplissage partiel
« d’un niveau lie virtuel d » obtenu par resonance entre 1’etat interne d del’impuret6
et les electrons de conduction de la matrice.Quelle
que soit la matrice normaleconsideree,
les
impuretes
d’une serie de transitionpresentent
uncomportement analogue,
avec deuxpics
ou un seulpic
der6sistivit6,
suivant que lesimpuret6s prennent
ou non un moment
magnetique qui decouple
les deuxdirections de
spin.
Il est etabli quel’apparition
d’unmoment
magnetique
demande 1’existence d’un niveau lie virtuel assezetroit,
telqu’il peut
s’enproduire,
au moins pour certaines
matrices,
avec les 6tats d.On
peut
penser que, de la memefaçon, quand
ondissout successivement dans une matrice monovalente
comme
1’argent
des elements d’une seriesp
comme celles allant du cuivre aurubidium,
onremplira
suc-cessivement une couche
4sp.
La r6sistivit6 residuelle doit passer par de fortesvaleurs, analogues
a cellesobserv6es pour une serie de transition. Plus
pr6cis6-
ment, on s’attend a ce que la courbe des r6sistivit6s r6siduelles en fonction du num6ro
atomique
de l’im-purete pr6sente
unpic
bienmarqu6
vers le milieu de las6rie,
c’est-A-dire vers 1’arsenic. Les couches 4s et4p
ont en effet des stabilites assez voisines et doivent donc
se
remplir
simuItanément : lesd6phasages ao
et81 correspondants
doivent donc croitre simultan6ment de - 7t a 0quand
on passe du cuivre aurubidium,
tandis que les autres
d6phasages
ne doiventguere
varier. Vers le milieu de la
s6rie,
on a donc un étatlie virtuel
sp,
en r6sonance avec les 6lectrons de conduc- tion de la matrice. On sait que de tels 6tats ont deslargeurs
en6nergle
nettementsuperieures
a cellesd’6tats lies
virtuels d,
cequi
interditl’apparition
detout moment
magnetique :
les deux directions despin
ont des
remplissages égaux, correspondant
a des d6-phasages égaux
au niveau de Fermi.FIG. 5.
Une
analyse
exacte des r6sistivit6sAp
demanderaitun calcul des
d6phasages ao
et81
au niveau de Fermien fonction de la difference Z de valence entre
l’impuret6
et la matrice.On
pourrait
penser calculersimplement
la diffusion d’un gaz d’61ectrons libres par lepotentiel perturbateur
du a
l’impuret6.
Le mod6leexplique
defaqon
satis-faisante la variation
parabolique
delYp(Z)
pour lespetites
valeurs deZ;
mais il devrait etre modifi6 pour lesgrandes
valeurs deZ,
ou lepotentiel perturbateur
doit etre
corrig6
pour tenircompte
de ce que les electrons diffus6s sont des electrons deBloch,
et nondes electrons libres.
En 1’absence d’un tel
calcul, qui
serait.complexe,
on
peut
obtenir unedescription
raisonnablementapproch6e
desph6nom6nes
ensupposant
que, dans las6rie,
les 6tats set p se remplissent de façon proportionnelle.
On doit alors
prendre
pour tout element de la s6rie des valeurs6gales
desd6phasages 80
et81
au niveaude Fermi. Comme d’autre part :
on voit
qu’il
fautprendre,
au niveau de FermiE)1 :
avec
80(0)
=81(0)
=== - 7t et Z variant de 0 pour le cuivre a 8 pour Ie rubidium.b )
RESISTIVITE. - La difference de r6sistivit6 entrel’ alliage
et le metal pur est calcul6e en fonction desd6phasages ao
eta,
au niveau de FermiE,
par :c 6tant la
concentration, n
le nombre d’electrons de conduction dans la matrice etkF
le nombre d’onde au niveau de Fermi. Pour1’argent
n = 1 etkF.
=0,64
u.a.En
prenant 80
=°1
=(7tZ /8)
- 7t, la r6sistivit6 resi- duelle pour un pour centatomique d’impuretés
est :Ri 6tant
exprim6e
en micro-ohm X cm.c)
POUVOIRTHERMOELECTRIQUE.
- Lepouvoir thermoélectrique
total est :où Rest la r6sistivit6
totale,
somme de la contribu- tion Ri desimpuret6s
et de la r6sistivit6de
I’argent
pur. On calcule apartir
deRp
et du
pouvoir thermoélectrique
de1’argent
pura 273
oK Sp
=1,2 LV/OK.
D’autrepart,
si A est lademi-largeur
en6nergie
de 1’etat lie virtuelA,
onpeut
ecrireapproximativement
pour une distribution lorent- zienne de densite d’6tats dans 1’etat lie virtuel :Comme nous supposons
80
=81
au niveau deFermi,
il n’est pas n6cessaire de connaitre la variation de
ao
avec E au niveau de Fermi. La variation de
pouvoir thermoélectrique
de1’alliage
AS = Salliage
- SAg
est :
AS 6tant
exprime
entV/OK
et A en electron-volt.La
figure
5represente’la
courbe de la variation ASdu
pouvoir thermoélectrique
en fonction deZ,
pour deux valeurs raisonnables A = 2 et 3 eV de la demi-largeur
de 1’etat lie virtuelsp.
Conclusion. - L’introduction d’un niveau lie virtuel
sp,
enprenant
deuxdephasages 80
et81, permet d’expliquer qualitativement
lesexperiences
de r6sisti- vit6 et depouvoir thermoelectrique d’alliages d’argent
avec des
impuret6s
de la s6rie allant du zinc aukrypton.
Dans cettedescription,
lepic
de r6sistivit6 observe au milieu de la s6riecorrespond
auremplissage progressif de
la couche4sp
del’impuret6,
en resonanceavec les electrons de conduction de la matrice. La décroissance de la r6sistivit6 r6siduelle pour les
impu-
ret6s de fortes valences
correspond
a unremplissage
de
plus
enplus parfait
de cette couche. Le fait que la r6sistivit6 est encore forte pour lekrypton indique
que, pour ce gaz rare, leremplissage
de la couche4sp
n’est pas encore total. Le fait
qu’il
ne semble y avoirqu’un pic
de r6sistivit6 est en accord avec l’id6e que les couches set p
des deux directions despin
seremplissent
simultan6ment.Une m6thode
plus
raffinée d6crivant les electrons de conductionplus
correctement quel’approximation
des electrons libres
permettrait
sans doute d’am6liorer l’accord entre les mesures et les calculs. Onpeut
penser enparticulier
que leremplissage
de la couche 4sse
fait,
pour Zpetit,
a unrythme
un peuplus rapide
que celui de la couche
4p,
cequi d6placerait
vers les Zplus
forts lepic
de r6sistivit6 et le zero de AS.Remerciements. - Nous sommes tres heureux de remercier ici M. le Professeur Friedel
qui
nous aconstamment
guides
et conseill6s dans cetravail,
M. Yves Adda pour d’enrichissantes discussions et de tres fructueux conseils.
Manuscrit requ le 27 mai 1966.
80
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