HAL Id: jpa-00206931
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Contribution des phonons transverses et longitudinaux à la conductibilité thermique de réseau de l’antimoniure
de gallium à basse température
G. Le Guillou, H.J. Albany
To cite this version:
G. Le Guillou, H.J. Albany. Contribution des phonons transverses et longitudinaux à la conductibilité
thermique de réseau de l’antimoniure de gallium à basse température. Journal de Physique, 1970, 31
(5-6), pp.495-500. �10.1051/jphys:01970003105-6049500�. �jpa-00206931�
CONTRIBUTION DES PHONONS TRANSVERSES
ET LONGITUDINAUX A LA CONDUCTIBILITÉ THERMIQUE DE RÉSEAU
DE L’ANTIMONIURE DE GALLIUM A BASSE TEMPÉRATURE
G. LE GUILLOU et H. J. ALBANY
Service
d’Electronique Physique,
Centre d’Etudes Nucléaires deSaclay,
B. P. n°
1, Gif-sur-Yvette, 91,
France(Reçu
le 18 décembre1969,
révisé le2, février 1970)
Résumé. 2014 La conductibilité
thermique
de réseau de l’antimoniure degallium
a étéanalysée
entre 5 °K et 300 °K sur la base de la formulation de Holland,
qui distingue
les contributionsrespectives
des phonons transverses etlongitudinaux.
Un bon accord de la courbe calculée avecles résultats expérimentaux a été obtenu dans l’intervalle de température
compris
entre le maxi-mum de conductibilité
thermique
et 300 °K, où la diffusionélectron-phonon
estnégligeable.
Cette analysesouligne l’importance
de la contribution desphonons
transverses à la conductibilité ther-mique
de l’antimoniure de gallium.Abstract. 2014 The lattice thermal
conductivity
K of GaSb in the temperature range 5-300 °K has been analysed on the basis of Holland’sformulation,
which considers the separate contribu- tions oflongitudinal
and transversephonons.
Agood
fit to theexperimental
data has been obtained in the temperature range from about thepeak
to 300 °K, whereelectron-phonon scattering
is negligible. Thisanalysis emphasizes
theimportant
role of the transversephonons
in the lattice thermalconductivity
of GaSb.1. Introduction. - Aux basses
températures,
onconsidère
généralement
trois processus de diffusion desphonons,
à savoir la diffusion par lesparois
del’échantillon
[1],
par les fluctuations de masse[2] [5],
et la diffusion
phonon-phonon [2]-[6]. Cependant,
ilest apparu récemment
qu’en deçà
du maximum de conductibilitéthermique K,
il y avait lieu de tenircompte
d’un autre mécanisme de diffusion dutype électron-phonon.
Ce mécanisme a été mis en évidencepar l’étude de l’effet du
dopage
sur la conductibilitéthermique
d’un certain nombre de semiconducteurs tels que legermanium [7]-[11],
l’antimoniure d’in- dium[12]
et l’antimoniure degallium [13] [14].
Parailleurs,
l’influence d’irradiationsélectroniques
et neu-troniques
sur legermanium [15]-[18]
et l’antimoniure d’indium[19],
et enparticulier
lecomportement
de K dans larégion
de transition detype n
en type p dugermanium [18],
ontsouligné l’importance
du processus de diffusionélectron-phonon.
Plusieursanalyses
dece mécanisme de diffusion ont été
proposées,
suivantque les électrons se trouvent dans une bande
dégéné-
rée
[20],
ou sont liés aux centresd’impuretés [21] [22].
Aux hautes
températures,
au-delà du maximum deK,
le processus de diffusionphonon-phonon
estpré-
dominant.
Le modèle de conductibilité
thermique
deCallaway [4]
inclut trois types de processus de diffusion desphonons :
effets deparoi,
effet de fluctuation de masse, diffusion à troisphonons.
Il a étéappliqué
avecsuccès,
dans sonexpression simplifiée,
à un certain nombrede matériaux
[23].
On a pu ainsi observer que, dansles matériaux où la diffusion du
type électron-phonon
est
négligeable,
il rendcompte
des résultatsexpéri-
mentaux de K dans un intervalle de
température
allantdes basses
températures jusqu’au voisinage
du maxi-mum de K.
L’expression complète
deCallaway, qui comprend
la contribution des processus normaux à la conducti- bilité
thermique,
a étéparfois
utilisée[24] [14],
per- mettant d’étendre à deplus
hautestempératures
larégion
de concordance des courbesthéorique
etexpé-
rimentale.
Un certain nombre
d’hypothèses simplificatrices
ont été faites par
Callaway [4].
Il associe auxphonons
un spectre de
Debye
constitué d’une seule brancheacoustique
moyenne, en prenant pour l’interactionphonon-phonon
un temps de relaxationce dernier
apparaît
comme n’étant valable que pour desphonons longitudinaux
de bassefréquence [3]
dans les processus N.
Holland a
plus
récemmentproposé,
pour la conduc- tibilitéthermique,
une formulation[6] qui distingue
les contributions
respectives
à la conductionthermique
des
phonons longitudinaux
et transverses, etqui adopte
des temps de relaxation mieux
appropriés
aux inter-valles de
température,
aux types de processus N ouU,
et aux modes de
polarisation.
Ce modèle a étéappliqué
avec succès par l’auteur
[6]
augermanium
et au sili-cium,
et par Bhandari et Verma[26]
à l’arséniure degallium
et à l’antimoniure d’indium.Parallèlement,
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01970003105-6049500
496
Parrot
[27],
étudiant la conductionthermique
descomposés Si-Ge,
montraqu’aux
hautestempératures,
elle était
principalement
due auxphonons
transverses,rejoignant
ainsi les conclusions de Holland.En ce
qui
concerne l’antimoniure degallium,
Hol-land
[28], puis Poujade
etAlbany [14],
ont montréque
l’expression simple
deCallaway
étaitinapplicable puisque,
dans sa zone habituelle devalidité,
les inter- actionsélectron-phonon
sontprépondérantes.
Enutilisant
l’expression complète
deCallaway, Poujade
et
Albany [14]
ont puanalyser
les résultatsexpérimen-
taux de K dans un intervalle restreint de
température
situé entre le maximum de conductibilité
thermique
et 100
OK, région
où les interactionsélectron-phonon
sont peu
importantes,
sinonnégligeables.
Dans le
présent travail,
nous avons tentéd’évaluer,
sur la base du modèle de
Holland,
les contributionsrespectives
desphonons
transverses etlongitudinaux
à la conductibilité
thermique
de l’antimoniure degallium.
Aux hautes
températures,
au-delà du maximum de conductibilitéthermique K,
la diffusion électron-phonon
estnégligeable. L’analyse
des résultatsexpé-
rimentaux de K à cestempératures permet donc,
par l’extension des valeurs calculées de K à deplus
bassestempératures,
de mieux déterminer éventuellement la contribution de la diffusionélectron-phonon
à larésistivité
thermique
auvoisinage
et endeçà
du maxi-mum de K.
II. Modèles de conductibilité
thermique
utilisés. -Pour un gaz de
phonons,
et dansl’approximation
d’un
spectre
deDebye
pour desphonons acoustiques, l’expression générale
de la conductibilitéthermique
s’écrit :
où k est la constante de
Boltzmann, vs la
vitessemoyenne des
phonons,
co, lapulsation
deDebye,
met Te la
pulsation
et letemps
de relaxation total desphonons.
C’est le modèle de
Callaway qui
est leplus
utilisépour
l’analyse
de la conductibilitéthermique [23].
Dans ce
modèle,
letemps
de relaxationglobal
ic :inclut l’effet des
parois (T; 1
-Vs/L),
la diffusion par les fluctuations de masse(,rD A(04 )
et les processus U et N à 3phonons T 3
etW2 T3).
L’approximation
de l’additivité des inverses des temps de relaxationimplique
que les différents processus de diffusion soientindépendants
les uns des autres.Par
ailleurs,
les processusN, qui
conservent les vecteurs d’onde et ne contribuent donc pas à la résis- tancethermique, jouent cependant
un rôle dans la conductionthermique,
endéplaçant
la distribution de Planck. C’est pour tenir compte de cephénomène
que
Callaway
introduit dansl’expression
de la conduc- tibilitéthermique
un terme correctifK2 :
où
I~l
estl’expression
définieprécédemment
et :avec :
La contribution du terme
K2, qui
estnégligeable
aux basses
températures
où l’influence des processus à 3phonons
estfaible,
devientimportante
aux hautestempératures,
au-delà dupic
de conductibilité ther-mique.
Malgré
l’introduction de ce termecorrectif,
lavalidité du modèle de
Callaway
aux hautestempéra-
tures est
discutable, puisqu’on n’y
tientcompte
que d’un seultype
dephonons
et que lestemps
de relaxa- tion choisis pour les processus N et U sont, ainsi quenous l’avons
déjà précisé, inadéquats
à de tellestempé-
ratures
[3] [25].
Par
ailleurs,
pour un certain nombre dematériaux,
les
spectres
de vibration ont étédéterminés,
ainsi que les vitesses des différents modes depolarisation.
Laconductibilité
thermique
de ces matériaux est doncsusceptible
d’êtreanalysée
sur la base du modèle de Holland[6].
Cet auteur a calculé
séparément
les contributionsrespectives
à la conductibilitéthermique
des deuxmodes de
polarisation :
KT
est la contribution desphonons
transverses :et
KL
est la contribution desphonons longitudinaux :
c~2 et co, sont les
fréquences respectives
des branchesacoustiques
transverse etlongitudinale correspondant
au vecteur d’onde qmaR définissant la limite de la pre- mière zone de Brillouin. col est la
fréquence
de labranche transverse
correspondant
àq,,,a./2,
valeur àpartir
delaquelle
les processus U interviennent.V T
etV,
sont les vitesses depropagation
desphonons
trans-verses et
longitudinaux.
Aux bassesfréquences, hT
estsupposée
constante etégale
à Elle décroît brus-quement
à lafréquence puis,
de w1 à reste sensiblement constante etégale
àV12-
iB est le
temps
de relaxation du processus de diffu- sion par lesparois
de l’échantillon :où
vs
est la vitesse moyenne desphonons,
donnée par la relation :et L est la
« longueur
deCasimir »,
déduite de la section s de l’échantillon[1 ] :
Tp est le
temps
de relaxation du processus de diffu- sion par les fluctuations de masse[2] :
Le coefficient A est calculé au moyen de la relation de Klemens
[2] :
où
Vo
étant le volumeatomique
etfi
laproportion
d’atomes de masse m~.
En ce
qui
concerne les processus à 3phonons
pour le mode transverse, des temps de relaxation mieuxadaptés
aux intervalles detempérature
et auxtypes
deprocessus N ou U ont été retenus dans ce modèle
[6] :
Il faut noter que la contribution c~T est
négli- geable
aux bassestempératures.
Aux hautestempéra-
tures, ce terme se trouve inclus dans
qui
est alors de la formeBTI - k
Aussi ce termen’est pas retenu dans
l’expression
de K.Enfin,
pour lesphonons longitudinaux,
letemps
de relaxationglobal
pour les processus U et 1V estpris
sous laforme
(BL w2 T3)-1.
III.
Analyse
des résultats. - L’effet dudopage
entellure sur la conductibilité
thermique K
de l’antimo- niure degallium
a été étudié parPoujade
etAlbany [14]
entre 5 OK et 100
OK ;
les mesures ont été récemmentprolongées
parPoujade,
pour certainséchantillons, jusqu’à
300 "K.L’antimoniure de
gallium
nondopé
est detype
p,avec une concentration en trous d’environ
1017 CM-3.
La conductibilité
thermique
de ce matériau à bassetempérature
est à peuprès
cent foisplus
faible que la valeurthéorique
résultant de la diffusion parparois
et de la diffusion par fluctuation de masse
[28] [13] [14].
Cette différence a été reliée à une diffusion
trou-phonon.
Un faible
dopage
entellure,
le matériau restant detype
p, donne lieu à uneaugmentation
de K. Ceci aété associé à la diminution de la diffusion
trou-phonon,
résultant de la
compensation progressive
du maté-riau
[13].
Une fois ce dernier converti entype
n, il aété observé que l’addition de tellure en excès
(pour
des concentrations en
porteurs comprises
en 2 x101~
à 2 x
1018 CM-3)
provoque une diminution de K[14].
Cette diminution a été attribuée à la diffusion des
phonons
par les électrons de la bande de conduction(000).
Afin
d’appliquer
le modèle de Holland à l’antimo- niure degallium,
nous avons considéré un matériau danslequel
la diffusion detype électron-phonon
étaitfaible. Aussi avons-nous
choisi, parmi
les échantillons detype n
étudiés[14],
celuiqui
était leplus près
de lacompensation,
etqui présentait
donc la concentration apparente en porteurs laplus
faible.longueur
de CasimirL = 0,425 cm).
Il fautcependant préciser
que les échantillons de concentrations appa- rentes enporteurs
voisinesprésentent
la même conduc- tibilitéthermique K
à hautetempérature,
au-delà dumaximum
de K,
où la diffusionélectron-phonon
etl’effet de
paroi
sontnégligeables.
Les
fréquences
desphonons
transverses(cv2)
etlongitudinaux (c~3)
en limite de zone de Brillouin ont été extraites de mesuresd’absorption infrarouge
effec-tuées sur l’antimoniure de
gallium
par Mitra[29].
Ence
qui
concerne lafréquence
(ù 1 au-delà delaquelle
leprocessus
Umklapp
intervient dans le mode trans- verse, nous avonssupposé
que le rapport de l’antimoniure degallium
étaitégal
à celui del’arséniure de
gallium
et de l’arséniure d’indium498
=
1,105), puisque
ces matériauxpossèdent
la même structure
[30] [26].
La vitesse
V,
desphonons longitudinaux
ainsi que celle(VY1)
desphonons
transverses de bassefréquence (ce col)
ont été calculées àpartir
des constantesélastiques
de l’antimoniure degallium
mesurées à 300 oK par Mc Skimin et al.[31].
Ce calcul a étéeffectué en tenant compte du fait que les échantillons utilisés ont un axe sensiblement
parallèle
à la direc- tion 111 > du cristal :CIl’ C12
etC44
étant les constantesélastiques
del’antimoniure de
gallium
et p sa massevolumique.
La vitesse
V T2
desphonons
transverses de hautefréquence (col
(0W2)
a été déterminée en suppo- sant que lerapport
reste le même dans l’anti- moniure degallium,
l’arséniure degallium
et l’anti-moniure d’indium
(VT2/VTl
=0,363) [30] [26].
Leparamètre
de fluctuation de masse calculé[28]
àpartir
de la relation de Klemens[2] appliquée
à uncomposé,
est A =0,813
xlO-44 s3.
La détermination des
paramètres BTU, BL
etBTN
relatifs aux processus à trois
phonons
a été effectuée de lafaçon
suivante.En
premier lieu,
doncKT2,
a été obtenu enréalisant,
autour de 300°K,
unajustement
de lacourbe
représentative
deKT2
et de la courbeexpéri- mentale ; KT1
etKL
étantsupposés négligeables
à cesFIG. 1. - Conductibilité thermique de GaSb. KT et KT2 sont les contributions des phonons transverses, KL la contribution des phonons longitudinaux, et K la conductibilité thermique
totale.
températures.
De la mêmefaçon, BL,
doncKL,
a été déterminé parajustement,
vers 100OK,
deKT2 + KL
et de la courbe
expérimentale,
étantnégligé. Enfin, BTN
a été déduit del’ajustement optimal,
auvoisinage
du
pic
de conductivitéthermique,
de la courberepré-
sentative de
KTI + KL
+KT2
et de la courbeexpéri-
mentale. Les trois
paramètres
ont ensuite étélégère-
ment
retouchés,
defaçon
àparfaire
l’accord des deux courbes dans tout l’intervalle detempérature
considéré.Les résultats de ce travail sont
représentés
à lafigure
1. La différenceappréciable
que l’on observe entre les courbesthéorique
etexpérimentale
de K auxbasses
températures
est à rattacher à unecompensation imparfaite
des échantillonsétudiés ;
la diffusion élec-tron-phonon
résiduelle provoquant aux bassestempé-
ratures une diminution de la conductivité
thermique.
Les valeurs des différents
paramètres
utilisés dans cetteanalyse
sont rassemblées dans le tableau I.TABLEAU 1 Paramètres utilisés
On notera que les valeurs déterminées des para- mètres
BTN, BTU
etBL
sont du même ordre degrandeur
que les valeurs
correspondantes
déterminées par Holland pour le silicium et legermanium.
Afin de
souligner
l’intérêt du modèle deHolland,
nous avons
reporté
sur lafigure
2 les courbes calculéessur la base de
l’intégrale simple Ki
et del’expression complète (K,
+K2)
deCallaway,
en utilisant pour lesparamètres
d’interactionphonon-phonon
les valeurs déterminées parPoujade
etAlbany [14] :
et
On voit que le modèle de
Callaway
ne peut rendre compte de la variation de la conductibilitéthermique
de l’antimoniure de
gallium
aux hautestempératures.
Rappelons
que la formulation deCallaway
associeaux
phonons
un spectre deDebye
constitué d’une seule brancheacoustique
moyenne. Deplus,
le temps de relaxation choisi pour les interactionsphonon-phonon
est de la forme i N
T3)-1,
et estadopté
aussibien pour les processus N que pour les processus U.
FIG. 2. - Conductibilité thermique de GaSb. Les courbes A et B sont calculées respectivement sur la base des expressions
simple et complète de Callaway.
Or,
pour les processusN,
un teltemps
de relaxation n’est valable que pour desphonons longitudinaux
debasse
fréquence.
Pour cequi
est des processusU,
iln’est valable ni aux
basses,
ni aux hautestempératures.
Il en résulte ainsi que, pour les processus à 3
phonons,
le
temps
de relaxation enT3)-1,
s’il n’est pasjustifié
pour les processusU,
reste à larigueur repré-
sentatif des
phonons longitudinaux
pour les processus N.En sorte que le rôle des
phonons
transverses setrouve être
négligé
dans ce modèle. Ilapparaît
ainsique la
divergence
entre les données déduites des deux modèles à hautetempérature
résulte de cequi distingue
tout
particulièrement
ces modèles l’un del’autre,
àsavoir la
prise
en considération par Holland de la contribution desphonons
transverses à la conductibi- litéthermique
K.Il faut noter
qu’une
conclusionanalogue
a été for-mulée sur le rôle des
phonons
transverses dans la conductivitéthermique
du silicium et dugermanium [6],
de l’antimoniure d’indium et de l’arséniure degallium [26],
ainsi que desalliages silicium-germanium [27].
Récemment,
Hamilton et Parrot[32]
ont calculé la conductibilitéthermique K
dugermanium
par la méthode variationnelle et ont obtenu un bon accord entre les valeurs calculées et les résultatsexpérimen-
taux de K. Ce
calcul, qui
tientcompte
des contributions des différents modes depolarisation,
montre que letransport
de la chaleur a lieu essentiellement par lesphonons
transverses.Conclusion. - Le modèle de Holland
appliqué
à laconductivité
thermique
du GaSb apermis
de rendrecompte
des résultatsexpérimentaux
dans l’intervalle detempérature compris
entre le maximum de K et 300 "K. L’écart observé aux bassestempératures
entreles courbes
théorique
etexpérimentale
est à relier à laprésence
d’une diffusionélectron-phonon
résiduelledue à une
compensation imparfaite
du matériau étudié.Comparativement,
le modèle deCallaway
n’apas
permis
d’obtenir des résultats satisfaisants. Cette étudesouligne l’importance
de la contribution desphonons
transverses à la conductionthermique
del’antimoniure de
gallium.
Remerciements. - Nous remercions A. M.
Poujade
des résultats récents de conductivité
thermique
àhaute
température,
et C.Blanjot
pour son assistancetechnique.
Bibliographie
[1] CASIMIR (H. B. G.),
Physica, 1938,
5, 495.[2] KLEMENS (P.
G.),
Proc. Roy. Soc.(London),
1951, A 208, 108 et 1955, A 68, 1113. Solid State Physics, SEITZ (F.) et TURNBULL (D.), Eds (Aca- demic Press, Inc. New York, 1958), 7, 1.[3] HERRING (C.), Phys. Rev., 1954, 95, 954.
[4] CALLAWAY (J.), Phys. Rev., 1959, 113, 1046.
[5] CARRUTHERS (P.), Rev. Mod. Phys., 1961, 33, 92.
[6] HOLLAND (M. G.), Phys. Rev., 1963, 132, 2461.
[7] CARRUTHERS (J. A.), GEBALLE (T. H.), ROSENBERG (H. M.) et ZIMAN (J. M.), Proc. Roy. Soc., 1957,
A 238, 502.
[8] CARRUTHERS (J. A.), COCHRAM (J. F.) et MENDELS-
SOHN (K.), Cryogenics, 1962, 2, 160.
[9] GOFF (J. F.) et PEARLMAN (N.), Phys. Rev., 1965, 140, A 2151.
[10]
MATHUR (M. P.) et PEARLMAN (N.), Phys. Rev., 1969, 180, 833.[11]
ALBANY(H.
J.) et LAURENCE (G.), Solid State Commun., 1969, 7, 63.[12]
CHALLIS (L. J.), CHEEKE (J. D. N.) et WILLIAMS (D. J.),Low temperature Physics, Plenum Press, 1965,
1145.
[13]
POUJADE(A.
M.), ALBANY (H. J.), BOUGNOT (G.),C. R. Acad. Sci., Paris, 1969, 268, 860.
[14]
POUJADE (A. M.) et ALBANY (H. J.), Phys. Rev., 1969, 182, 802.[15]
VOOK (F. L.), Phys. Rev., 1965, 138A, 1234.[16]
ALBANY (H. J.) et VANDEVYVER (M.), J. Appl. Phys., 1967, 38, 425.[17]
VANDEVYVER (M.) et ALBANY (H. J.), Physics Letters, 1967, 25A, 115.500
[18] ALBANY (H. J.) et VANDEVYVER (M.), Phys. Rev., 1967, 160, 633.
[19] VOOK (F. L.), Phys. Rev., 1964, 135, A 1750.
[20] ZIMAN (J. M.), Phil. Mag., 1956, 1, 191 ; 1957, 2, 292.
[21] KEYES (R. W.), Phys. Rev., 1961, 122, 1171.
[22] GRIFFIN (A.), CARRUTHERS (P.), Phys. Rev., 1963, 131, 1976.
[23] POHL (R. O.), Phys. Rev., 1960, 118, 1499.
WALKER
(C.
T.), Phys. Rev., 1964, 135A, 1742.TOXEN (A. M.), Phys. Rev., 1961,122, 450.
THOMPSON (J. C.), YOUNGLOVE
(B.
A.), J. Phys. Solids, 1961, 20, 146.KLEIN (M. V.), Phys. Rev., 1961, 123, 1877.
HOLLAND (M. G.) et NEURINGER
(L.
J.), Proceedings of the International Conference on the Physics ofsemiconductors,
Exeter, 1962 (The Institute ofPhysics
and the Physical Society, London, 1962),474.
AGRAWAL
(B.
K.) et VERMA (G. S.),Phys.
Rev., 1962, 126, 24.AGRAWAL (B. K.) et VERMA (G. S.), Phys. Rev., 1962, 128, 603.
[24] TOXEN (A. M.), Phys. Rev., 1961, 122, 450.
[25] KLEMENS (P. G.), Proc. Roy. Soc. (London), 1951,
A 208, 108.
[26] BHANDARI
(M.)
et VERMA(G.
S.),Phys.
Rev., 1965, 140, 2101.[27] PARROT (J. E.), Proc.
Phys.
Soc.(London),
1963, 81, 726.[28] HOLLAND
(M.
G.), Phys. Rev., 1964, 134, A 471.[29] MITRA (S. S.), Phys. Rev., 1963, 132, 986.
[30] WAUGH (J. L. T.) et DOLLING (G.), Phys. Rev., 1963, 132, 2410.
[31] MCSKIMIN
(H. J.),
BOND (W.L.), PEARSON (G. L.)
etHROSTOWSKI (H. J.), Bull. of Am.
Phys.
Soc., 1956, 1, 11.[32] HAMILTON