Propriétés optiques et photoélectriques des couches microcristallines de sulfure de plomb dans le visible et l'infrarouge

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Propriétés optiques et photoélectriques des couches

microcristallines de sulfure de plomb dans le visible et

l’infrarouge

Pierre Vernier

To cite this version:

PROPRIÉTÉS

OPTIQUES

ET

_{PHOTOÉLECTRIQUES}

DES COUCHES MICROCRISTALLINES

DE SULFURE DE PLOMB DANS LE VISIBLE ET L’INFRAROUGE

Par PIERRE VERNIER,

Laboratoire de _{Physique Astronomique} de l’Observatoire de Paris.

Sommaire. _{2014 Après} un _rappel des faits _{expérimentaux,} on expose les particularités des méthodes de fabrication et de mesure des couches.

Des interférences ont été mises en évidence. Le calcul permet de déduire le coefficient d’absorption

du pourcentage de transmission.

Une certaine corrélation est trouvée entre le spectre d’absorption et le _spectre de _{photoconductivité.}

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. 14,

1953,

Introduction. - La

photoconductivité

de cer-taines couches minces de sulfure de

_plomb

_permet

de

_fabriquer

dea

_r6cepteurs

_infrarouges

sensibles

jusqu’à

2,5-3 fJ.

et util’sables a

_temperature

ordi-naire. Son 6tude a conduit a rechercher une

corr6la-tion avec

_{I’absorption}

de la substance dans le domaine

spectral.

De nombreux travaux ont ete effectues sur de la

galene

et sur des monocristaux

_{synth6tiques.}

Avery (1951)

mesure la reflexion d’une lumi6re

polaris6e rectiligne

et en d6duit le coefficient

d’ab-sorption

et l’indice de la

_{galene polie.}

11 trouve une chute

_rapide

de

_{l’absorption quand}

la

_longueur

d’onde croit de

_o,4

a _{2 fJ. et} un indice constant,

a 2 _pour 10o

pres 6gal

a

4,

de _o,8 a _{2,5 ,u.}

Paul,

D.E A. Jones et R. V. Jones

_{(1951), puis}

Gibson

_{(1952), atteignent}

la constante

d’absorp-tion k en mesurant la

_transparence

de cristaux amincis par

polissage.

Leurs mesures ne commencent

qu’a

2,5

li, ils trouvent une chute

_{d’absorption}

jusqu’A

4

fl, ou k est minimum.

Tous ces

resultats,

indiqu6s

en

_pointill6s

sur la

figure

2,

_divergent

notablement,

ce _que les auteurs

expliquent

par des differences de

puret6

des

cris-taux utilises.

Aucun monocristal n’est

_{photoconducteur.}

Pour

trouver une correlation entre les resultats

d’absorp-tion et de

sensibilite,

Gibson utilise les

_points

sen-sibles des cristaux par le

dispositif

de la

_photodiode

et trouve _que la chute

_{d’absorption,}

de _2,5

_{à 4 [J,}

correspond

bien a la chute de sensibilite.

Le mecanisme de la

_photodiode

_peut

6tre,

cepen-dant,

assez different de celui de la

photoconductivite

des couches utilis6es comme

_r6cepteurs,

ou les

barrières intercristallines

_peuvent

_jouer

un

_grand

role. 11

_importe

done de mesurer

_{l’absorption}

de

couches microscristallines.

Gibson

₍₁₉₅₀₎

mesure la

_transparence

de couches

obtenues par

depot chimique.

II en d6duit

_{que k}

d6croit entre

o,4

et

_{0,8 f.L}

et conserve une valeur assez

6lev6e .

(sup6rieure

a 5. 1 o3

cm-)

entre o,8 et

_{6 p..}

11 ne

trouve

aucune chute

_remarquable

de

I’absorp-tion en correlation avec la chute de sensibilite a

_{3 p.}

des

_r6cepteurs.

II ne trouve _{pas les interferences}

caractéristiques

des couches de microcristaux du

système cubique.

Depuis

1949,

a l’Observatoire de

Paris,

des travaux ont ete

_entrepris

_par M. Davier et Mile Delbouis.

La mise au

_point

des méthodes de mesure

_qu’ils

ont faite nous a ete

_grandement

utile.

1. Fabrication des couches. 2013 Nous

employons

le difIérents modes de fabrication des

_r6cepteurs.

PROCÉDÉS PHYSIQUES. - DIStiIIation. 2013 Nous distillons sous

vide,

vers _600°,

_quelques

milli-grammes de sulfure de

plomb

tres _pur, de

_façon

a obtenir une couche

_homog6ne.

Ce

_procédé,

avec des

traitements.

_appropri6s

a

_l’oxygène

et au _gaz

sulfureux,

donne des cellules ferm6es

_qui

constituent les meilleurs

_r6cepteurs.

Evaporation.

- Nous

évaporons, également,

sous

un vide assez

_mediocre,

vers _800°, de la

_poudre

de

sulfure de

_plomb

d’un creuset de

_tungstène

sur Ie

support.

PROCEDES CHIMIQUES

(’).

- Par action de la thiour6e sur le

_plombite

de

_sodium,

on obtient des

depots

de sulfure de

_plomb,

tres _{int6ressants pour}

leurs

_{propri6t6s photoélectriques.}

Pour obtenir des couches

_{plus épaisses,}

on

_peut

rassembler par

dis-tillation sous

_vide,

vers

4oo-6ooo,

une couche de

grande

surface obtenue par ce

_proc6d6.

2.

Support. -

Nous

_employons

comme

_support,

des

_plaques

de

_saphir

₍₂₎

_{transparentes}

dans toute

(1) Proc6d6s mis au point par le Docteur G. Sommer.

(2) Dues a _{l’obligeance} des Telecommunications Research Establishment _{(G. B.).}

176

la bande de

_longueurs

d’onde étudiée

_{(o,4-6 fL)}

et des cellules en verre Duran _{amincies par}

_soufflage.

Le verre Duran est

_transparent

_jusqu’à

_{2,5 p.}

et

utilisable,

sous des

_6paisseurs

de

_quelques

dizaines de

microns,

_jusqu’à

4,5

y.

3. Mesure de la transmission. - Une _source convenablement choisie eclaire la fente d’entr6e d’un monochromateur. Derriere la fente de sortie se trouve une cellule au tellurure de

_plomb

_(’)

(utilisde

pour la

premiere

fois en France dans une

application

spectroscopique).

La couche a mesurer est

_plac6e

entre la source et le monochromateur. La cellule au

tellurure,

refroidie a 1’air

_liquide,

est branchée sur l’entrée d’un

_{amplificateur}

a bande etroite

_{(o,5 Hz) qui}

élimine en

_{grande partie}

le

bruit de fond. Le

_rapport

gnat

ainsi

obtenu,

bruit

pour les fentes et les sources

utilis6es,

est

supd-rieur a 5 ooo dans toute la bande de

longueur

d’onde

6tudi6e. Dans ces

conditions,

ce n’est

jamais

le bruit de fond

_qui

limite la

_precision,

meme avec de fortes

_absorptions.

Ainsi la cellule au tellurure

_repr6sente

un

_progres

tres net en

sensibilite,

donc en

_precision

et en pou-voir

_s6parateur,

_par

_rapport

aux

_thermopiles

et bolom6tres utilises

_{précédemment.}

En

fait,

la

_precision

est _{limit6e par la lumiere}

parasite.

Les couches mesur6es sont

_pratiquement

opaques, sauf les

plus

minces,

dans la bande des

plus

courtes

_longueurs

d’ondes,

et Ie coefficient de transmission

_(rapport

du flux transmis au flux

incident),

d6passe

o,4

dans la bande des

_plus

_grandes.

Dans la bande de transition ou du fait de la forte

_absorption,

la lumi6re transmise

_peut

6tre

m6lang6e

d’un fort

_pourcentage

de lumi6re

_parasite

Fig. i. - Transmission de couches

chimiques de Pb S de diverses _6paisseurs.

provenant

de la bande de forte

_{transparence,}

nous n’avons pas d’erreur

sup6rieure

a 1 o _pour 10o sur Ie _{coefficient de transmission des que celui-ci}

d6passe

o,05.

Dans la bande de

_{transparence,}

le

probl6me

est moins

_critique

et nous avons _pu

assurer une

_precision

de 2 a 3 _pour 10o de 3 a 5 ri.

La mesure du coefficient de transmission

appa-rent dans la bande

_d’opacit6

constitue un excellent controle du taux de lumière

_parasite;

elle

_permet,

en _outre, de _{verifier que la} couche ne

_comporte

pas de trous

(surface

relative inf6rieure a o,1 pour 100

dans tous les cas

_retenus).

4.

_{Interpretation}

du

_spectre

de transmission. - Soient

R, R,

R" les facteurs de reflexion de

Fresnel aux interfaces entre l’air et la

couche,

la

couche et son

_support,

Ie

_support

et Fair.

Nous pouvons supposer l’indice n de la couche comme reel A i pour 10oo

pres

de i a 6 _p..

(3) Fabriqu6es par le Service du _{Docteur Bartels que} nous

remercions, par ailleurs, pour toute 1’aide _apportee.

Le calcul du coefficient de transmission

T,

pour une

longueur

d’onde

a,,

ou le coefficient

d’absorp-tion

est k,

pour une couche

_{d’épaisseur z}

donne

5. Interférences. 2013 Elles

proviennent

du fac-teur

Sur la

_figure

I, nous avons

_represente

les

_spectres

de transmission de trois couches

_chimiques

d’6pais-seurs difIérentes. Les extrema

_qu’ils

_presentent

sont

caractéristiques

d’un

_spectre

cannelé. En calculant

a

_partir

d’une valeur de nz, d6duite de la

position

d’un extremum, les

_positions

des autres extrema,

on obtient un tres bon accord avec

1’experience.

L’indice 6tant reel a i _pour 10o

_pres

dans la bande

En outre, Ie

_{contraste p}

entre les maxima et les minima diminue

_quand

la

_longueur

d’onde

d6croit,

c’est-A-dire

_quand

_{l’absorption}

augmente,

ce

_qui

est conforme au r6sultat du calcul.

Les interferences ne sont _{pas decelables}

_quand

le

coefficient de transmission T est inférieur a 0,2.

p est

cependant

plus

faible que ne

_permet

de le

pr6voir

la valeur 6lev6e de l’indice n trouv6e _par

Avery.

6. Calcul du coefficient

_{d’absorption.}

- La

mesure directe de

_{1’epaisseur}

_peut

etre effectuee

sur certaines couches en

_formant,

entre la couche

gratt6e

suivant un trait et un etalon de

surface,

les

_franges

d’un coin d’air. Elle

conplrme

grossie-rement la valeur

4

de n _{trouv6e par}

_Avery.

nz 6tant connu

_grace

au

_spectre

_cannel£,

nous avons d6duit z de nz en admettant n =

4,

1’erreur n’atteint

certai-nement _pas 3o _pour i oo.

Nous ne _pouvons calculer avec

_precision

les coefficients de réflexion aux

_interfaces,

il semble _que des

_ph6nom6nes

anormaux se

_produisent.

La mesure

de l’incidence brewsterienne q des couches a donne des valeurs

_trop

faibles pour

tg

cp

tg l’ = 3 _{±0)2 pour} des couches

chimictues,

I g y = 2) 1 -4- o,,2 pour des couches evaporees.

Notons

cependant

que 1’anomalie est

plus

forte pour les couches

6vapor6es qui presentent

une .

transmission _moyenne T

_trop

forte aux

_grandes

longueurs

d’ondes.

Nous avons donc elimine

R, R’,

R"

_grace

au fait

qu’ils

sont

_independants

de la

_longueur

d’onde,

comme le montrent les

_experiences

de

_Avery

et

Gibson et l’accord de nos conclusions.

Pour les

_{6paisseurs envisag6es,}

dans la bande des

plus

grandes

longueurs

d’onde,

e-Àz

_{est pratiquement}

6gal

a I, si bien que aux

_longueurs

d’ondes de >«/,>=

cette bande ou

e-

----:- == 0

Pour nos couches

6vapor6es,

ce facteur est tres

supdrieur

a ce _{que l’on}

_peut

calculer en suppo-sant n ==

_4.

Pour les autres

_types

de

couches,

aucune anomalie

_n’apparait

dans ce facteur.

Le calcul de k sera donc

_possible

a toutes les

longueurs

d’ondes ou

soit e-4,

_petit

_{(courtes longueurs}

_d’ondes)

Sous ces

_conditions,

La determination de

_Ta,

_{aisee pour les couches à}

support

de

_saphir,

est

_plus

_{delicate pour des} couches

distillees en cellule pour

_lesquelles

_{l’absorption}

du verre intervient a

_partir

de _{2,5 fL.}

Pour

_chaque

couche

_6tudi6e,

nous obtenons ainsi le coefficient

_{d’absorption}

k _pour une s6rie de valeurs

de I,. Cette s6rie est

limit6e,

vers les courtes

_longueurs

d’ondes,

par l’influence de la lumière

parasite

sur la mesure de T et, vers les

_{grandes longueurs}

d’ondes,

par la

trop grande importance

relative de la r6flexion par

rapport

a

_{l’absorption}

_(log

T

_trop

voisin

de

_{log To).}

7. Photoconductivité. 2013 Nous

plaçons

la couche

6tudi6e,

munie d’61ectrodes convenables h la

_place

de la

cellule

au tellurure. Pour 6talonner les sources de

_lumi6re,

nous utilisons une

thermopile.

La cons-truction de

_{1’amplificateur}

est _{telle que} sa

_r6ponse

est,

quelle

que soit la conductibilité (I de la

couche,

sensiblement

_{proportionnelle}

a

_{l’augmentation}

rela-tive de (I,

2013

Nous mesurons done la sensibilité de

cr

la couche _{par le}

_rapport

de la

_réponse

de

1’ampli-ficateur a l’indication

_{correspondante}

de la

ther-mopile.

8. Résultats. 2013

a. SENSIBILITA.-LA sensibilite

globale

varie

_beaucoup

d’une couche a l’autre. Dans notre

_dispositif

de mesure, le bruit de fond

r6siduel est sensiblement le _{meme pour} toutes les

couches,

nous _{pouvons done}

_rapporter

la sensi-bilit6

_globale

au niveau moyen du

_bruit,

_pour une source donnee

_(filament

de

_tungst6ne

a 2

_700°),

avec une fente

fixe,

a la

_longueur

d’onde ou la

r6ponse

de

_l’appareiI

de mesure est maximum

_(1,8

pour toutes les

_couches).

Les meilleures couches distillees et conserv6es

sous vide ont un

_rapport

bruit

de l’ordre de

i o5;

brult

meme sans traitement

sensibilisant,

il atteint souvent 1O4. Mais de nombreux

_exemplaires

n’ont aucune sensibilité d6celable.

Nos couches

_{chimiques, parfois}

insensibles

aussi,

n’atteignent jamais

des

_rapports

s i - n,,i

I

_superieurs

bruit

à 1000.

Nous n’obtenons

_jamais,

_par notre

_proc6d6

actuel,

de couche

_6vapor6e

_{appreciablement}

sensible.

Dans tous les cas, la

_{r6partition spectrale}

de la sensibilite

_pr6sente

le meme

_aspect.

Nous

_indiquons

sur la

_figure

2 la sensibilite pour une couche

parti-culierement sensible. Deux chutes se situent dans

les bandes

_0,0-1,4

et _{2,5-3 p,,} le

_maximum,

a 1,6 N,

178

diminue la sensibilite dans de tres

_larges

propor-tions,

mais

d’une

façon

a peu

près

uniforme sur tout le

_spectre.

b. ABSORPTION. - En raison de la tres forte

variation du coefficient

_{d’absorption}

k,

nous n’avons pu le

calculer

dans toute la bande

o,4-4 1-t

avec des couches d’une meme

_6paisseur.

Au dela de

4

fJ-,

k est

_trop

_{faible pour que} nous

_puissions

le calculer

d’apr£s

les couches

dtudi6es,

nous _pouvons

_cependant

affirmer

_qu’il

est inferieur a 5oo cm- de

4

a 6 li.

Pour toutes les couches

mesurdes,

quel

que soit

Fig. v. -

Absorption et sensibilité de couches de Pb S.

(En tiret les travaux _ant6rieurs.)

le

_proc6d6

de

fabrication,

1’elimination des

inter-f6rences montre

_{que k}

d6croit tres

_{rapidement quand}

la

_longueur

d’onde croit. Nous avons

repr6sent6

sur la

_{figure 2}

les resultats _pour six couches

_typiques,

les

_points

_{correspondant}

a une meme couche sont

joints

par un trait.

L’6paisseur

de la couche ne se manifeste _pas comme un facteur influent sur k.

Les diverses couches

_chimiques

donnent des

resultats bien concordants. Les couches distillees

donnent des resultats

_{plus disperses (cette}

disper-sion

_pourrait

n’être due

_qu’a

_{1’erreur caus6e par Ie} verre

_absorbant),

et _{pas sensiblement diff6rents de}

ceux des couches

_chimiques.

Les couches

_6vapor6es,

en tres bon accord entre

elles,

se

_distinguent

nette-ment des

_pr6c6dentes

en ce _{que, a}

partir

de

_o,6

_p,

l’absorption

est nettement inf6rieure.

Nous ne retrouvons _{pas la queue de forte}

absorp-tion _{trouv6e par Gibson}

₍₁₉₆₀₎

_{pour des couches} et nos resultats ne sont _{pas essentiellement} diff6-rents de ceux _{trouv6s pour les} monocristaux. Ils

font,

dans une certaine mesure,

_la

_jonction

entre

les resultats de

_Avery

aux courtes

_longueurs

d’onde

et ceux de Gibson

₍₁₉₅₂₎

_pour des monocristaux

synth6tiques.

11’est

_possible

_que vers 5-g

_{I-t, k}

_pour nos couches ait le meme ordre de

_grandeur

_que pour les cristaux de

grande

dimension.

C. CORRELATION ENTRE L’ABSORPTION ET LA SEN-SIBILITT. - Pour les couches distillees

et

_chimiques

nous avons vu _que la sensibilité

_globale

varie dans

de tres

_{larges proportions,}

_{alors que}

_{l’absorption}

varie peu. Nous n’avons pu mettre en evidence de lien entre la faible variation

_{d’absorption}

et la forte variation de sensibilite.

Dans Ie _{groupe que constituent} ces

couches,

les differences de sensibilite

_globale

semblent 6tre

dues

_{principalement}

a des différences de

_propri6t6s

6lectriques

et non

_{photoélectriques.}

En

effet,

les couches sensibles ont des resistances de l’ordre de

I O’i Q,

les couches insensibles ont souvent des

resistances

_{beaucoup plus}

faibles

_(parfois

infé-rieures a

_{10:B Q).}

D’autre

_part,

la

_{quasi-destruction}

de la _{sensibilite par} ouverture de la cellule conte-nant une couche distillee ne

_produit

_{pas de} modi-fication d6celable de

_{l’absorption.}

Le groupe des couches

_6vapor6es

_que nos pro-cedes ne

_peuvent

_jusqu’ici

rendre notablement sensibles

_pr6s2nte

a

_partir

de

_{o,6 u.}

une

absorp-tion

_beaucoup

_plus

_{faible que celle des couches} distillees et

_chimiques

_qui

sont souvent tres sen-sibles.

La correlation la

_plus

_{significative}

nous semble r6sider entre les

_r6partitions

_spectrales

de la sen-sibilit6 et de

_{l’absorption}

des couches distillees

et

_{chimiques :}

la chute de

_{l’absorption}

est

_plus

rapide

dans les bandes

_o,9-1,4

p et surtout

2,5-3

1-1-ou se situent

_6galement

celle de sensibilite.

BIBLIOGRAPHIE.

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