HAL Id: jpa-00235411
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Sur l’énergie absorbée dans les couches minces solides
P. Rouard, D. Malé, J. Trompette
To cite this version:
P. Rouard, D. Malé, J. Trompette. Sur l’énergie absorbée dans les couches minces solides. J. Phys.
Radium, 1956, 17 (6), pp.466-471. �10.1051/jphysrad:01956001706046600�. �jpa-00235411�
SUR
L’ÉNERGIE ABSORBÉE
DANS LES COUCHES MINCES SOLIDES Par P.ROUARD,
D.MALÉ,
J.TROMPETTE,
Laboratoire de Physique Générale de la Faculté des Sciences de Marseille.
Sommaire. 2014 En supposant, en première approximation, qu’une couche mince peut être consi- dérée comme un milieu continu, homogène, isotrope et limité par deux faces planes et parallèles
on a calculé, en fonction des paramètres qui suffisent alors à caractériser la couche, la proportion
de l’énergie lumineuse incidente et la proportion de l’énergie lumineuse ayant effectivement pénétré
dans la couche mince, qui sont absorbées par cette dernière. On a mis ainsi en évidence un certain nombre de résultats d’allure paradoxale qui se sont trouvés confirmés qualitativement par
l’expérience.
17, 1956,
Introduction. - On sait que la
propagation
dela
lumière,
dans tout milieu autre que levide, s’accompagne
d’une diminution del’énergie
quetransportent
les ondes lumineuses.Cette diminution est due : d’une
part,
à ce que l’onpeut appeler, l’absorption vraie, qui
se traduitpar la transformation de
l’énergie
lumineuse enune autre forme
d’énergie,
d’autrepart,
à ladiffusion qui
a pour effet dedisperser
le rayon- nement dans toutes les directions.On a
coutume,
dans toutes les études sur lespropriétés optiques
des couchesminces,
denégli-
ger la
diffusion.
Defait, lorsqu’on opère
en inci-dence
normale,
cequi
est leplus
souvent le cas, etqu’on
n’utilise que des couchessimples,
cette dif-fusion
est,
à laprécision
habituelle des mesures, très difficile à mettre en évidence. Il n’en estplus
de
même,
comme l’a montré P.Bousquet [1], lorsqu’on opère
en incidenceoblique
et enparti-
culier au
voisinage
del’angle
de réflexion totale.Dans ce
qui
va suivre nous supposonstoujours
que l’incidence est normale. Dans ces
conditions,
comme nous n’étudierons que des couches
simples,
nous pourrons
négliger
la lumière diffusée.FIG. 1.
Soit donc une onde lumineuse
tombant,
sousl’incidence
normale,
sur une lamemince, d’épais-
seur
dl, déposée
sur unsupport transparent pris- matique
defaçon
à éviter les réflexionsmultiples
dans le
support. Plaçons-nous
dansl’hypothèse simple
de milieuxhomegènes
etisotropes,
lalame
étant,
enpremière approximation, supposép
continue et limitée par deux facesplanes
etparal-
lèles
(fig. 1).
Désignons
par0,1, 2, 3,
les milieux successifs tra- versés par les ondeslumineuses,
pardl l’épaisseur
de la lame mince. Soient no, nl, n2 les indices de réfraction. Ils sont en
général complexes
de la formen = v -
jx
les constantes v et x étantrespecti-
vement l’indice de réfraction et l’indice d’extinc- tion.
Soit ao
l’amplitude
de l’onde incidente monochro-matique
delongueur
d’onde À dans levide, bo J’amplitude
de l’onde réfléchie dans ce mêmemilieu.
On sait que l’on aavec
Si nous
désignons
par R le facteur deréflexion,
dans le milieu 0 sur la couche
mince,
nous avonsOn définirait de même le facteur de réflexion R dans le milieu 2
(support)
sur la couche mince.Enfin,
si nousdésignons
par T le facteur de transmission de la couche mince nous avonsavec
l’origine
desphases
étantprise
à l’entrée dans lemilieu 1.
Dans le cas,
qui
nous occupeici,
d’une coucheArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01956001706046600
467 mince absorbante
déposée
sur unsupport prisma-
tique transparent,
les milieux 0 et 3 étantl’air,
no et n 2 sont
réels,
seul ni estcomplexe.
Pour sim-plifier,
dans cequi
vasuivre,
nous poserons ni = n;di = d ; n
= v -jx
’et nousdésignerons par k
lerapport x
de l’indice d’extinction à l’indice dev
réfraction de la couche
mince ;
k est le coefficientd’absorption.
Si l’on
néglige
la lumière diffusée et si l’onsûp-
pose que
l’énergie
de l’onde lumineuse incidente estprise
pourunité,
laquantité d’énergie
absorbéepar la couche
mince, lorsque
la lumière incidente vient du milieu 0 est donnéepar A
=1 - R - Tet
lorsqu’elle
vient du côtésupport
par :FIG. 2. - Variations, en fonction de l’épaisseur d /«X. de la
couche mince, exprimée en longueurs d’onde de la lumière dans la couche, de la proportion de l’énergie
incidente côté air A (traits continus) et côté support A’
(traits discontinus), absorbées par des couches minces d’indices v = 0,2 ; k
== -x
= 4 ; 10 ; 20, déposées sur unv
support transparent d’indice 1,56 (incidence normale Résultats
théoriques.
- En utilisant les for-mules que nous venons de
donner
nous avonstracé,
en
supposant
que lepremier
milieu est de l’airdont l’indice no est
égal
à 1 et que lesupport transparent
a un indice n2égal
à1,56,
les courbes donnant A et A’ en fonction del’épaisseur
de lacouche mince
(ou plutôt
durapport Àd Dl Amde l’épais-
seur à la
longueur
d’onde de la lumière dans la.couche).
Les
figures 2, 3, 4,
5 donnentquelques exemples
de telles familles de courbes pour v
= 0,2 ; 2 ; 3 ;
4 etdifférentes valeurs de k
=x.
Sur chacuned’elles,
v
les courbes- relatives à A sont tracées en traits
pleins,
les courbes’ relatives à A’ en traits discon- tinus. ’FIG. 3. - Variations, en fonction de l’épaisseur d /Àm de la
couche mince, exprimée en longueurs d’onde de la lumière dans la couche, de la proportion de l’énergie
incidente côté air A (traits continus) et côté support A’
(traits discontinus), absorbées par des couches minces d’indices v J 2 ; k
= -
= 0,2 ; 0,5 ; 1 ; 2 ; 4, déposéesv
sur un support transparent d’indice 1,56 (incidence normale).
FiG. 4. - Variations, en fonction de l’épaisseur d Jam de
la couche mince, exprimée en longueurs d’onde de la lumière dans la couche, de la proportion de l’énergie incidente; côté air A (traits continus) et côté support A’
(traits discontinus), absorbées par des couches minces
x
d’indices v = 3 ; k
== -
= 0,2 ; 0,5 ; 1 ;2 ;
4, déposéesv
sur un support transparent d’indice 1,56 (incidence normale).
Ces courbes
représentent
en définitive la propor- tion de la lumière incidentequi
est absorbée danschaque
cas par la couche mince. On voit que cetteproportion augmente régulièrement
avecl’épais-
seur de la couche pour les faibles valeurs de v et du coefficient
d’absorption k (fig.
2 et3).
Pourdes valeurs
plus
élevéesde k, quel
que soit v, on voitapparaître
d’abord unmaximum,
d’autantplus aigu
que k estplus élevé,
pour uneépaisseur correspondant
à und
très faible. Ce maximumm
atteint par
exemple 0,6
pour v = 4 et k =1(fin. 5).
FIG. 5. - Variations, en fonction de l’épaisseur d /Àm de
la couche mince, exprimée en longueurs d’onde de la lumière dans la couche, de la proportion de l’énergie incidente, côté air A (traits continus) et côté support A’
(traits discontinus), absorbées par des couches minces d’indices v = 4 ;
k = x = 0,1 ;
0,2 ; 0,5 ; 1 ; 2 ; 4 ,v
déposées sur un support transparent d’indice 1,56 (inci-
dence normale).
On arrive ainsi à ce résultat
paradoxal
que, pour cetteépaisseur,
60%
de la lumière incidentequi
arrive du côté du
support
sont absorbés par la couche mince alors que, pour lesépaisseurs supé-
rieures à
0,1 d la proportion
de lumière absorbéeAm
ne
dépasse
pas 50%.
Pour les très fortes valeurs de v et les très faibles valeurs
de
x inférieures à 1(par exemple v
= 4.k =
0,2
ou0,1, fig. 5)
on voitapparaître, après
unpremier
maximumrelatif
obtenu pour les très faiblesépaisseurs,
les oscillationsdéjà signalées
dans le cas du silicium par F. Scandone et L. Balle- rini
(v = 4,29 ;
x= 0,81) [3]
et par P. Cotton( v
=4,24 ;
x =0,8) [4].
Laproportion
del’énergie incidence,
absorbée par la couchemince,
passe par des maxima et des minimaqui peuvent
être trèsmarqués,
deux maxima ou deux minima successifscorrespondant
à desépaisseurs
différant entre ellesdue 2
Laproportion
de lumière absorbéepeut,
au moment des
maxima,
dans le cas des lames sanssupport, dépasser l’énergie absorbée
par le métalmassif
Am
= 1 -Rm
ouA.
-- 1- Rm (en
dési-gnant
parRm
etRm
les, facteurs de réflexion côté air et côtésupport
du métalmassif).
Ces résultats d’allure
paradoxale
sont dus auxréflexions
multiples qui
seproduisent
dans la lame mince etqui
ont pourconséquence
les variations que subissent les facteurs de réflexion : R et R’ et de transmission T des couches minces peu absor- bantes à indice de réfraction élevé.- Au lieu de déterminer la
proportion
de lumièreincidente
qui
est absorbée par la couchemince,
c’est-à-dire A = 1 - R - T et A’ =1- R’ - T
on t déterminer
les ra orts A
et A’on peut
déterminer lesrapports 1-R et 1 - A, RI
de
l’énergie
lumineuse absorbéedans chaque
cas àl’énergie
lumineusequi
aeffectivement pénétré
dansla couche mince. En effet
l’énergie qui pénètre effectivement
dans la lame mince estégale
à 1- R sila lumière vient du côté air et à 1-R’ si elle vient du côté
support.
FIG. 6. variations, en fonction de
l’épaisseur
d (Am dela couche mince, exprimée en longueurs d’onde de la lumière dans la couche, de la proportion de la lumière
pénétrant effectivement dans la couche, côté
air A
1 - R(traits
continus) et côté support1 A’R’
A’ (traits dis-continus), qui est absorbée par cette dernière (incidence normale ; couches d’indices v == 0,2 ; k
= É
= 4 ; 10 ;v
20, déposées sur un support transparent d’indice 1,56).
Si l’on
trace,
pour différentes valeurs de v et de k x les courbes donnant Aet A’
de A =
v’
les courbes donnant 1 - R et1 -
469 en fonction de
l’épaisseur
de la couche mince onobtient les résultats résumés dans la
figure
6 pourFIG. 7. - Variations, en fonction de
l’épaisseur
d Il. dela couche mince, exprimée en longueurs d’onde de la lumière dans la couche, de la proportion de la lumière
pénétrant effectivement dans la couche côté
air A
1 -R(traits
continus)
et côté supportA ,
1-R (traits dis-continus), qui est absorbée par cette dernière. (Incidence normale ; couches d’indices v = 4 ;
k
= 0,1 ; 0,2 ;v
0,5 ; 1 ; 2 ; 4 ; déposées sur un support transparent
d’indice 1,56.
v =
0,2
et dans lafigure
7 pour v = 4 et diffé- rentes valeurs de k.On constate sur ces courbes
théoriques
que les A’croissances
de A
1( (traits continus )
et1 - A, R’
1 2013 ï(traits discontinus)
en.fonction del’épaisseur
sonttrès
rapides
et trèsrégulières
pour lesfaibles
valeurs de v. Par contre pour v = 4 et pour k =0,2
et0,1
on voitapparaître
des amorcesd’oscillations.
Nous
signalons
que pour les faiblesépaisseurs
l’identité de Wolter A’ =
n2A
esttoujours
vérifiée.Elle est
pratiquement
vérifiéeaussi, quelle
que soitl’épaisseur lorsque
le coefficientd’absorption
esttrès
grand (k
>20) [5].
Vérifications
expérimentales.
- Les vérifica-tions
expérimentales
ont été effectuées avec des couches minces d’or etd’argent préparées
par éva-poration thermique
sous des vides de l’ordre de 10-5 mm deHg.
Les,
mesures deR,
R’ et T ont été effectuées aumoyen d’un
spectrophotomètre
utilisant soit unecellule à couche d’antimoine ou de
coesium,
soitune cellule à
multiplicateurs
d’électrons. Lesmontages
utilisés ont étédécrits
par ailleurs[6], [7].
Les couches d’or étaient
déposées
sur des lamesprismatiques
de verre, les couchesd’argent
surdes lames
prismatiques
dequartz.
La
figure
8donne,
en fonction del’épaisseur,
les valeurs de A et A’ pour des couches minces d’or
ayant
desépaisseurs comprises
entre 0 et 150 m,pour trois radiations du
spectre
visible.On retrouve les apparences des courbes théo-
FIG. 8. - Variations, en fonction de l’épaigseur d de la couche, de la proportion de
l’énergie
incidente, côté air A(traits continus) et côté support A’ (traitsdiscontinus),
absorbée par une couche mince d’or déposée sur du verre pour 1 = 4 358A ;
5 461 A et 5 893 A (résul-, tats
expérimentaux).
riques correspondantes (figures 2, 3, 4, 5).
Tandisque
pour À
= 4 358A,
A et A’ croissentréguliè-
rement en fonction de
l’épaisseur
de métal parcontre, pour À
= 5 461Á,
on voitapparaître
unmaximum pour une
épaisseur
voisine de 7 ou 8 my(épaisseur
«massique »
déterminée parpesée
ensupposant
la densité du métal en couche minceégale
à celle du métalmassif).
Ce maximum estencore
plus
netpour À
= 5 893Â.
Près de 42%
de la lumière incidente côté
support
sont absorbésB; par une
couche
mince d’or de7,6
myd’épaisseur
alors que
cette proportion
tombe à 13%
pour des couchesd’épaisseurs
voisines d’une centaine de m,.FIG. 9. - Variations, en fonction de l’épaisseur d de la couche, de la proportion de l’énergie incidente côté air A
(traits continus) et côté support A’ (traits discontinus),
absorbée par une couche mince d’argent déposée sur du quartz pour X = 3 201
A ;
3 404 A et 5 780 A (résultats expérimentaux de J. TROMPETTE).La
figure
9donn,e
des résultatsanalogues
obtenusavec des couches minces
d’argent déposées
sur unelame
prismatique
dequartz [7].
Ici aussi la croissance de la
quantité
de lumièreabsorbée,
côté air A et côtésupport
A’ est trèsrégu-
lière
quand l’épaisseur
de la couche mince passe de 0 à 80 mypour À
= 3 021Á.
Pour 3 404A
onvoit,
d’une
part, apparaître
unpalier
pour A etA’, et,
d’autre
part,
il y a chevauchement des deux courbes. Ce chevauchement ne fait que traduire celuiqui
est observé pour les courbes relatives à R et R’ etqui
estdû,
comme l’ont montréP. Rouard et M. Perrot
[8],
au fait que la relation v2 + x2n2 (n2
étant l’indice dusupport
trans-parent.
Lepremier
milieu étant de l’air d’indicen.
1).
est vérifiée pour cettelongueur
d’ondeavec
l’argent.
Enfin,
pour X = 5 780A apparaît
un maximumtrès
marqué atteignant 0,57
pour A’ et uneépais-
seur
d’argent
de7,2’
my.FIG. 10. - Variations, en fonction de l’épaisseur d de
la
couche, de la proportion de la lumière pénétrant effecti-
.
vement dans la couche côté air 1 -R
A
(traitscontinus)
A’
et côté support
A ,
(traits discontinus) qui estabsorbée par une couche mince, d’argent déposée sur du quartz pour X = 3 021
A ; 3
404 A et 5 780 A (résultats expérimentaux).La
figure
10représente
les variations des rap- Aet A ,
donnant la ro ortion qui
ports
1 -R 1 - R et 1 - R’ 1 R, donnant laproportion qui
est absorbée de la lumière
pénétrant effectivement
dans la lame pour les mêmes couches
d’argent.
Alors que les courbes relatives à X = 3 021
A n’appellent
aucune remarqueparticulière
onobservera :
pour À
= 3 404À un
chevauchement des courbes et enfinpour À
= 5 780A
le passagepar un maximum et un minimum extrêmement mar-
qués
que les résultatsthéoriques
ci-dessus ne lais-saient pas
prévoir.
Enfait,
ces oscillations brutalessont dues à des variations extrêmement
rapides
desindices de réfraction et d’extinction des couches minces
d’argent
pour lalongueur
d’onde considérée.En
effet,
lafigure
11représente d’après
R.Philip
et J.
Trompette [9]
les courbes donnant pour les troislongueurs
d’ônde utilisées les variations des indices de réfraction et d’extinction des couches mincesd’argent
considérées. Ces indices ont été déterminés par la méthode de Malé[10].
Tandisque les variations de v et x
pour À
= 3 012A
et X = 3 404A
sont de faibleamplitude,
parcontre,
pour À = 5 780Á,
onobserve
de trèsgrandes
variations de ces mêmesindices,
entre 0et 11
my.
Pour les très faiblesépaisseurs
l’indicede réfraction v est
très supérieur
à x, parconséquent
471
le coefficient
d’absorption
A=: x-
est très faiblev
(0,2 pour d
=0,65 mp.).
A mesure quel’épaisseur
croit A
augmente
trèsrapidement. Egal
à 1 pourune
épaisseur
voisine de3,8
m ildépasse
20pour une
épaisseur
de21,6
mp,,,. Il est donc 100 foissupérieur pour d
=20,5
m quepour d
=0,65
m.FIG. 11. - Variations des indices de réfraction v et d’extinction x de l’argent en couches minces, en fonction
de l’épaisseur, pour X = 3 021
A ;
3 404 À et 5 780 A (R.PHinp et J. TROMPETTE). Sur lafigure lire x au lieu de x.C’est dans cette très
rapide augmentation
du coef-ficient
d’absorption
k del’argent
pour lalongueurs
d’onde considérée
qu’il
faut trouverl’origine
desoscillations de
très grande amplitude
observéessur les courbes donnant les variation des facteurs et
.A
, de ce métal en fonction de1-R 1-R’
ce métal en fonction del’épaisseur.
Conclusions. - On voit que les résultats
expéri-
mentaux obtenus avec des couches minces d’or et
d’argent préparées
parévaporation thermique
confirment
qualitativement
les résultats théo-riques
obtenus enappliquant
aux couches minces les formules que fournit la théorieélectromagné- tique
de la lumière. On sait que ceci suppose que les couches sontcontinues, homogènes, isotropes
etlimitées par des faces
planes
etparallèles,
cequi
n’est pas conforme à la réalité
[11].
En
fait,
les indices de réfraction et d’extinction des couches minces varient avecl’épaisseur.
D. Malé
[12]
a pu montrerthéoriquement,
ensupposant
aux couches une structuregranulaire,
que l’indice de réfraction et l’indice d’extinc- tion
passaient
par unmaximum
pour un coeffi- cient deremplissage
voisin de0,8 ;
le maximum de v seproduisant
pour uneépaisseur plus
faibleque celui de x. Ces
résultats,
confirmésexpéri-
mentalement par lui-même et par R.
Philip
etJ.
Trompette [9], expliquent
les écarts observésentre nos résultats
théoriques, qui supposent v
et x constants
quelle
que soitl’épaisseur
de lacouche,
et les résultatsexpérimentaux.
BIBLIOGRAPHIE
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