COLLOQUE SUR LA PHOTOÉMISSION (INTRODUCTION)

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Submitted on 1 Jan 1973

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COLLOQUE SUR LA PHOTOÉMISSION (INTRODUCTION)

G.-A. Boutry

To cite this version:

G.-A. Boutry. COLLOQUE SUR LA PHOTOÉMISSION (INTRODUCTION). Journal de Physique

Colloques, 1973, 34 (C6), pp.C6-1-C6-4. �10.1051/jphyscol:1973601�. �jpa-00215322�

DE Co//oqzre C6, supplément au no 1 1-12, Torne 34, Nouenibre-Décembre 1973, page C6-1

COLLOQUE SUR LA PHOTOÉMISSION (INTRODUCTION)

G.-A. BOUTRY Professeur au CNAM

Les volcans sont

la mode

j'en profiterai pour comparer le développement historique des recherches sur la Photoémission des Solides

une activité tel- lurique dont les éruptions successives ponctuent de longues périodes de labeur calme et continu.

La première activité de notre volcan, vous le savez bien, commence en 1887 lors de la découverte de l'effet par Henri Hertz. Cela se passe treize ans avant la signature de l'acte de naissance de l'électron, particule universelle. Hertz mourra sans se douter que le phénomène qu'il avait découvert consonimerait un jour la ruine de l'édifice Maxwellieri dont son génie

lui avait permis de terminer l'érection.

Après dix-huit années de sages et paisibles travaux au cours desquels on établit successiveinent les lois fondamentales de l'effet, la première éruption se pro- duit

c'est le mémoire publié en 1905 dans lequel Einstein formule l'hypothèse du photon, explique avec elle une loi incompréhensible dans la physique du continu, et définit la notion de

seuil » de photo- émission. Cette éruption-là. les honiines de votre génération la voient très bien se découper sur l'horizon scientifique de l'époque. Les contemporains ne furent pas aussi clairvoyants

ils n'ont vraiment pris au sérieux les idées d'Einstein qu'après la vérification précise par les soins de Millikan, de la relation célèbre

Encore Einstein attendra-t-il vingt ans le prix Nobel qu'on lui décernera pour ce iiiémoire (et non pour ses travaux sur la Relativité).

Après cette manifestation d'activité in~ijeure, notre volcan entre dans une période plus sage. Jusqu'en 1928, les travaux expérimentaux sur la Photoémission auront un caractère en quelque sorte documentaire, avec,

l'arrière-plan, un souci grandissarit des nppli- cations possibles. II ne pouvait en être autrenient

rappelons-nous que la thèse de Louis de Broglie est de 1924, et le premier iiîéinoire de Sommerfeld sur la théorie électronique des métaux, de 1928.

On détermine le seuil et l'émission SA pour de nom- breux solides (tous les éIén-ients du tableau de Men- delejev qui présentent l'état iiiétailique y passeront).

On recherche dans un cliinnt

la fois empirique et systématique les modifications qu'il filut apporter

une surface métallique pour en faire une photoca- thode d'efficacité quantique améliorée

ces recher- ches-la se déroulent p;irallèlenzent

des travaux analogues sur I'éniission tl-ierriio-ionique. En 1928-29,

nouvelle éruption dont les retombées se feront du côté des applications

on découvre la première photocathode industriellement exploitable

Ag/O/Cs, et c'est ce qui permettra le démarrage véritable du cinéma parlant

après quoi, pendant que se perfec- tionne la théorie électronique des métaux, pendant que naît la théorie des bandes dans les semiconduc- teurs, les expérimentateurs continuent

travailler sur les métaux et sur les couches minces, jusque et au-delà de 1936. Quelques appels sont faits

la théorie naissante. Le plus marquant nous reste avec le méinoire fondamental de Fowler sur la variation du seuil photoéi.iiissif ailec la température, mémoire daté de 1931.

Cette seconde période de calme se termine par une troisième éruption qui survient, semble-t-il, sans aucun signe avant-coureur

en 1936, Gorlich

Dresde prépare la première photocathode seiiii- transparente Sb/Cs,, sans savoir encore qu'il s'agit-là, non d'111i

alliage

mais d'un semiconducteur.

Or, dans un article de 1938, E. U. Condon attire l'attention des chercheurs sur la photoémission dans les semiconducteurs

c'est que la théorie des bandes achève de mûrir. On assistera bientôt

un revirement complet

la nouvelle période de labeur qui s'ouvre négligera presque coinplèternent les métaux. On commence

comprendre que le processus d'excitation des électrons par des photons incidents doit pouvoir être beaucoup plus eficace dans un semiconducteur que dans un métal. Pendant et après la Deuxième Guerre Mondiale, on va étudier et perfectionner les photocathodes

base d'antimoine et de bismuth, les couches dites niulti-alcalines. Les applications (photoniultiplicateurs, tubes analyseurs d'images de télévision. télescopes électroniques) sont responsables de In croissance d'une branche très prospère dc l'industrie des composants électroniques, et c'est cette importance industrielle qui explique que, pendant deux décades et plus, les publications de recherche se concentrent sur les pliotocathodes du type Gorlich et sur leurs variantes. En fait,

partir de 1955 environ, plusieurs laboratoires ont commencé d'étudier I'éniis- sion fournie par d'autres semiconducteurs, le Silicium surtout, et plus tard les composés

l'araéniure de gallium ou l'arséniure d'indium

on cherche principalelnent i modifier les surfaces de ces corps par des dépôts de couches n~étalliques monoatomiques

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1973601

CG-2 G.-A. BOUTRY

et de travail de sortie très bas. Cette direction de

recherches était bonne mais

pour des raisons sur lesquelles nous reviendrons

ce n'est qu'en 1965 qu'on y réussit vraiment

la première publication de Scheer et Van Laar va stimuler une bonne douzaine d'équipes qui produiront des photocathodes III-V recouvertes de Cs ou de Cs et d'oxygène, des cathodes III-V fournissant une émission de champ, enfin des photocathodes où le silicium sera désormais le substrat

c'est là que nous en sommes, et nous avons

notre disposition, plusieurs modèles explicatifs, simples et plausibles, ce qui ne veut peut-être pas dire pleinement convaincants. Sur le plan des appli- cations, en cinquante ans, la sensibilité photoélectrique est passée de l'ordre de grandeur de 10-2 pA/l

celui de lo3 pA/1, soit un rapport de 100 000 ... Sur le plan théorique est apparue la notion d'affinité électronique négative, pendant que l'étude de la dis- tribution de l'énergie entre les électrons excités par des photons suffisamment énergiques était reprise avec une grande activité après un assez long silence.

Tout au long des 415 de siècle que nous venons de survoler, la technique des mesures et de la préparation des surfaces émettrices se perfectionne et s'affine.

Pendant la première des périodes que nous avons distinguées, on travaille dans l'air, puis dans des vides très médiocres

le seul qui s'affranchisse de cette situation gênante est Millikan, qui invente le clivage dans le vide. Après l'avènement des pompes

diffusion de mercure ou d'huile, la situation s'amé- liore

toute l'étude des métaux et la plus grande part de I'étude des semiconducteurs ont été menées

des pressions résiduelles de

IO-* torr. II a bien fallu pourtant se résigner

admettre qu'en travaillant

de telles pressions, ce qu'on étudie n'est pas la surface qu'on aurait voulu préparer, mais une autre, polluée d'une façon qui peut être reproductible lorsque le mode opératoire a été rigou- reusement défini, mais dont les propriétls c!:angeront avec ce dernier. 11 n'y a sans doute pas plus de dix ans qu'on admet généralement ce qu'un calcul élémentaire partant d'hypothèses raisonnables permettait de devi- ner,

savoir que si l'on veut travailler sur une couche non polluée et qui reste pareille

elle-même en cours d'étude pendant plusieurs heures, il faut se résigner

la préparer et

la conserver

des pressions de I'ordrc de 10-"

10-'O torr. Souvenons-nous que pour réussir dans leurs premières expériences, Scheer et Van Laar qui travaillaient pourtant aux environs de 10-Io torr ont dû néanmoins recourir au clivage dans le vide au cours de la préparation de surfaces monocristallines de GajAs qu'ils espéraient n o n perturbées.

Il ne faut pas oublier que nos connaissances sur les propriétés de surface des métaux (et en particulier des métaux des trois premières colonnes de la classi- fication périodique qui paraissent les plus intéressants du point de vue de leurs constantes optiques et de leur photoén~ission), ces connaissances ont beaucoup

souffert de la situation qu'on vient de décrire. Ce n'est que très récemment et pour des fins théoriques que d e rares auteurs ont repris l'étude de la photo- émission des surfaces métalliques dans l'ultra-vide

encore ne sont-ils pas tous d'accord entre eux.

Plus généralement, la notion physique de Surface est loin d'être chose simple et l'étude des propriétés superficielles des solides, chapitre très prometteur de la Physique de demain, reste un art délicat. C'est pourquoi les organisateurs du Colloque qui va s'ouvrir ont demandé

M. J. L. Domange (ENSCP, Paris) de vous entretenir de ce sujet.

Une évolution parallèle s'est poursuivie dans les techniques de détermination d e la fonction de distri- bution de l'énergie entre les électrons photoémis

les expérimentateurs des années 1920 ont pu croire que leurs mesures révélaient, pour les métaux, une distribution Maxwellienne des vitesses

proposition que nous savons aujourd'hui erronée. Au cours des récentes années, l'emploi de techniques de mesures très étudiées, l'extension du spectre d'énergie analy- sable jusque vers 20 eV, c'est-à-dire jusque dans un ultraviolet déjà lointain, ont fait de I'étude des fonc- tions de distribution de l'énergie entre les électrons, une source très riche de renseignements sur la struc- ture de bande des métaux « compliqués

et des sen~iconducteurs, renseignements dont l'abondance ne laisse pas de soulever de temps en temps des diffi- cultés d'interprétation. M. le Professeur W. Spicer (Stanford) qui a joué un rôle de premier plan dans la mise au point et dans l'exploitation de ces méthodes vous en entretiendra dans son exposé invité sur la

« Photoémission et les structures électroniques des Solides

M. le D r Eastman (IBM) nous parlera de son côté des résultats qu'il a obtenus dans l'analyse de la structure des bandes de valence en employant le rayonnement synchrotron comme outil de travail.

Tout cela dit, il faut constater que chacune des périodes de travail dont il vient d'être question nous a légué tantôt une loi, tantôt une propriété ou un groupe de propriétés mal expliquées et d'une impor- tance telle qu'aucune théorie future de la photoémis- sion ne devra les ignorer

1) La sélectivité vectorielle a été découverte par Elster et Geitel en 1894. Permettez-moi, pour éviter toute ambiguïté, d'en préciser la définition

il y a sélectivité vectorielle chaque fois que

sés a u nombre d e photons absorbés) dépend de l'orientation, par rapport

la surface, du vecteur électrique de l'onde électromagnétique incidente.

Eh bien

Sur cette sélectivité vectorielle, mon impres- sion est que nous ne savons presque rien de général : existe-t-elle chez tous les métaux ou seulement chez quelques-uns d'entre eux

Existe-t-elle chez les semi- conducteurs, que leur surface soit modifiée ou non

(1) Gorlich la

mentionne

photocathodes

Advatices irz Elecrroriics atrd E1ectr.011 Pliysics 11 (1959) 1 .

Nous préoccupons-nous beaucoup de répondre

ces questions

Les expérimentateurs contemporains travaillent peu en lumière polarisée dont l'emploi, il faut l'avouer, se conjugue mal avec l'extension des mesures aussi loin que possible dans l'ultraviolet.

L'importance des aspects anisotropiques de la photoémission ne sont cependant ni niables ni négli- geables. Il en est de nouveaux, témoin celui que décrira la communication de MM. Campagna, D. F. Pierce, K. Sattler et H. C. Siegmann (Zürich)

i l s'agit d'une orientation préférentielle du spin, c'est-à-dire d'une polarisation au moins partielle des électrons photoémis

partir de matériaux magnétiques.

2) L'étude des métaux nous a légué la relation de Fowler (1931). Au fur et

mesure qu'avec des méthodes de mesures améliorées on cherche

étendre son champ d'application, on la trouve presque tou- jours vérifiée. On a dit, on répète encore aujourd'hui, que la relation de Fowler suppose exacte une théorie de l'effet de surface, théorie contemporaine en effet, dont la nieilleure expression fut donnée par Mitchell.

Je ne crois pas que cela soit vrai

certes, la relation de Fowler est l'aboutissement d'un calcul très exac- tement parallèle

celui que Dushinail a fait

propos de l'émission thermo-ionique

compte-tenu d'un coefficient représentant la probabilité d'excitation et que Fowler est contraint de supposer constant, il dénombre tous les électrons qui se présentent

la surface avec une conlposante normale de leur quantité de mouvement suffisante pour surmonter la ((barrière

Nulle part on ne se préoccupe de savoir où l'excitation a eu lieu. Ne serait-il pas très désirable de savoir d'une façon sûre et générale si la relation de Fowler ou des relations analogues sont applicables

I'émis- sion photoélectrique des semiconducteurs

3) Il est probable que la notion nouvelle la plus importante apportée par les études récentes, c'est la notion

(vers 1965).

M . le Dr

A. Sommer ( R C A ) dont vous connaissez tous les importantes contributions

l'étude des matériaux photoémissifs,

bien voulu accepter de faire devant vous un exposé de mise au point intitulé

((

Photoémetteurs classiques et Photoémetteurs

affinité électronique négative

pour cette tâche, les organisateurs du Colloque ne pouvaient trouver auteur plus qualifié. P;irallèlement

cette étude, je me permettrai seulement de souhaiter le développe- ment d'une étude systématique du courant d'obscurité.

Je n'ai encore parlé d'aucune théorie de l'effet photo-érnissif. Venons-y. II faut d'abord vous dire qu'un groupe de théoriciens de I'Ecole Normale Supérieure vous exposera tout

l'heure. sur le plan fondamental, ses essais de synthèse et de critique des théories existantes

nous appreiidrons bien des choses en les écoutant, notamment que la photoémission semble prendre des aspects plus fricileinent systéina- tisables dans le domaine des rayons X que

le

visible ou le proche ultra-violet

on nous expliquera encore pourquoi c'est dans le domaine de I'ultra- violet déjà lointain (15

40 eV) que l'étude des dis- tributions d'énergie doit se montrer la plus riche de renseignements. Au demeurant, je veux dire dans le domaine des théories phénoménologiques, le seul où j'oserai m'aventurer, on a voulu opposer les unes aux autres les théories de

l'effet de surface

et les théories de

l'effet de volume

se justifier autrefois. Il me semble qu'aujourd'hui elle appartient au passé. Le phénomène de photo- émission, vu de l'extérieur, macroscopiquement, c'est le phénomène au cours duquel un flux de photons est absorbé dans un corps solide pendant que, par voie de conséquence, un flux d'électrons, propor- tionnel au premier, en sort. Un point de départ raisonnable pour une théorie phénoménologique, consiste, vous le savez,

décomposer le phénomène en trois temps

1) Excitation d'un certain nombre d'électrons par l'énergie d'un certain nombre de photons, processus siégeant dans une épaisseur finie L qui dépend, entre autres paramètres, des constantes optiques du

mi- lieu

photoémissif.

2) La migration de ces électrons, dans le domaine d'épaisseur L, en direction de la surface.

3)

La traversée de cette surface avec filtrage et perte éventuelle d'une partie de l'énergie cinétique.

Toutes les théories connues de votre serviteur traitent le point 3 de

même façon, façon un peu fruste comme nouivenons de le voir. En ce qui concerne le point 2, tout dépend de la valeur de L qui peut varier depuis le millier d'if jusyu'à 5 A, c'est-à-dire jusqu'à l'ordre de grandeur d'une rangée d'ions dans

un monocristal.

Enfin, en ce qui concerne le point

1, les théories se rejoignent encore en une commune ignorance. N'y a-t-il rien

dire sur le mécanisme de cet échange d'énergie

L'état des électrons qui s'offrent

l'exci- tation (électrons de valence, électrons de conduction) ne joue-t-il aucun rôle

Les mouvements d'ensemble exécutés par les électrons, mouven~ents tantôt désor- donnés. tantôt ordonnés comme, chez les métaux, dans les plasmas de surfrice et de volume, sont-ils sans importance

La probabilité d'excitation n'est- elle influencée par aucun de ces paramètres

Des travaux récents semblent indiquer qu'il y a là quelque chose qu'il faudra préciser un jour

vous verrez dans la suite de ce Colloque, qu'un expérimentateur au moins a trouvé que la Longueur d'onde de plasma de volume dans un métal alcalin coïncide avec un minimum bien marqué de l'efficacité quantique.

11 existe une industrie de la Photoélectricité et elle

est prospère. Notre Colloque ne saurait donc laisser

entièrement de côté applications et problCmcs de

développemcnt. C'est pourquoi vous entendrez les

CG-4 G.-A. BOUTRY

communications invitées de M. le Dr S. Garbe

(CRFA, Aix-la-Chapelle) sur l'optimisation des photo-

émetteurs semiconducteurs III-V et de M. G . Piétri (LEP, Paris) sur l'emploi en Physique expérimentale comme instruments de mesure des tubes électroniques

cathodes photoémissives : vous savez que M. Piétri a consacré la plus grande partie de sa carrière aux sujets dont il vous entretiendra.

Pour conclure, nous avons atteint aujourd'hui des efficacités quantiques telles que nous n'espérons

pas beaucoup les dépasser

nous avons même quelque peine

expliquer qu'elles dépassent parfois 112.

Par contre, le matériel expérimental existe désormais, qui permettra des expériences systématiques et pro- pres, et l'avenir n'est peut-être plus éloigné oit

verra naître enfin une théorie nouvelle et meilleure

que ce que nous avons connu jusqu'ici. Peut-être

aurons-nous des surprises

ce qui est sûr, c'est que

nous devrons apprendre le langage photonique que

nous savons bien mal parler actuellement.