Remarques sur le rayonnement émis par le sulfure de cadmium sous l'influence d'un bombardement électronique de densité élevée

HAL Id: jpa-00206674

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00206674

Submitted on 1 Jan 1968

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Remarques sur le rayonnement émis par le sulfure de cadmium sous l’influence d’un bombardement

électronique de densité élevée

Jean Lecomte, François Gans

To cite this version:

Jean Lecomte, François Gans. Remarques sur le rayonnement émis par le sulfure de cadmium sous

l’influence d’un bombardement électronique de densité élevée. Journal de Physique, 1968, 29 (5-6),

pp.477-479. �10.1051/jphys:01968002905-6047700�. �jpa-00206674�

477.

REMARQUES

^{SUR LE}

RAYONNEMENT ÉMIS

PAR LE SULFURE DE CADMIUM SOUS L’INFLUENCE D’UN

BOMBARDEMENT ÉLECTRONIQUE

^DE

DENSITÉ ÉLEVÉE

Par MM.

JEAN

^{LECOMTE et}

FRANÇOIS ^GANS,

Groupe de, ^{Recherche n°} 3 du Centre National de la Recherche Scientifique,

Laboratoire d’Infrarouge Technique ^et Appliqué (L.I.R.T.A.), I, chemin du Couvent, 9I-Gif-sur-Yvette.

(Reçu

^{le 12}

février 1968.)

Résumé. 2014

Rappel d’expériences

^{exécutées au} laboratoire,

depuis

^{1958, sur la cathodo-}

luminescence de certains semi-conducteurs, notamment du sulfure de cadmium.

Abstract. ²⁰¹⁴ Review of

experiments

^carried out in the

laboratory,

^since 1958,

dealing

with the cathodoluminescence of some semi-conductors and

especially

of cadmium

sulphide.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^TOME 29, MAI-JUIN 1968, ^:

Les

rayonnements

^6mis par le sulfure de cadmium soumis a 1’effet de divers agents

physiques,

^notamment

l’irradiation _par

l’ultraviolet,

^les rayons

X,

^{les fais-}

ceaux de

particules

telles que electrons ^et

protons,

par

exemple,

^ont

fait, depuis

^une

vingtaine d’annees, l’objet

^{de tres} nombreux travaux, ^surtout

depuis

^une

époque

^{r6cente ou}

plusieurs 6quipes

^ont tent6 d’obtenir

une source laser _par bombardement du sulfure de cadmium a l’aide de faisceaux d’électrons. La biblio-

graphie

^{sur le}

sujet

^est extr6mement

etendue;

cepen-

dant,

^{bien des}

probl6mes

^{attendent encore} de recevoir

une solution satisfaisante.

Nous _avons,

depuis 1958, entrepris

1’6tude .du rayonnement ^6mis par des substances semi-conduc-

trices,

^en

poudre

^{ou en}

monocristaux,

^{recevant un}

bombardement

6lectronique

continu de densite de

courant 6lev6e. Ces electrons sont acc6l6r6s _par des tensions de 7 a 25

kV;

le courant, dans le faisceau de

bombardement,

^{6tant en}

general

^{inferieur a 100}

uA (bien

que dans certaines

experiences

^nous ayons atteint 500

iA),

^et la surface du spot

d’impact

^{sur la cible}

6tant voisine de

0,02

^a

0,03 mm2,

la densite de

puis-

sance

appliqu6e

^a la substance 6tudi6e est de l’ordre de 10

kW/cm2,

^ce

qui

^est considerable. Ces travaux

executes soit _par nous

seuls,

^{soit en} collaboration avec

MM.

Bombr6, Balkanski,

^de

Gaalon, Rocherolles, Guillard, Vagner, Boissan, Hitier,

^{ont fait}

l’objet

d’une

quinzaine

^de

publications

dans diverses ^revues

franqaises

^ou

6trang6res,

^mais

principalement

^{dans le}

Journal

^de

Physique

^{ou les}

Comptes

^{rendus à l’Academie}

des Sciences.

Quelques experiences

de bombardement ont ete ex6- cutees sur le sulfure de mercure et le

silicium,

^{mais le}

travail

principal

concernait le s6l6niure de zinc et sur- tout le sulfure de cadmium. Le but de ces recherches

est de rattacher les

ph6nom6nes

^{observes a la structure}

de bande du

semi-conducteur,

^ce

qui implique

^6vi-

demment _que l’on

dispose,

^entre autres, d’échantillons aussi _purs que

possible.

Il serait ultérieurement souhai- table de _comparer les

ph6nom6nes

^{observes avec ceux}

que l’on obtiendrait ^avec des

specimens

additionn6s de substances bien d6finies en

quantités

connues,

mais, jusqu’a present,

^{ce domaine a ete} peu

explore

par

nous. Nous avons

port6

presque tout notre effort sur

les cristaux _purs.

Nous avons mis au

point plusieurs 6quipements complets sp6cialement

conçus a ^cette

fin,

comprenant les

dispositifs

d’alimentation et de mesure des _para- m6tres

6lectriques,

ainsi que

1’appareillage

^{destine a}

observer les

ph6nom6nes

d’6mission de rayonnement

provoqu6s

par le

bombardement, appareillage qui comprend

notamment, ^en dehors du

spectrophoto-

m6tre a

prisme,

^un

grand appareil

^{a reseau concave}

de

3,25

^{m de focale et un}

montage

^{de mesure des}

temps

^tres

courts

par la m6thode

d’échantillonnage.

Les

plus importants

^{resultats de ce}

travail,

^ind6-

pendamment

^des

publications rappel6es ci-dessus,

^ont

ete rassemblés dans la these de M. F.

Bombr6,

^sou-

tenue le 29 mars 1965 : le

rayonnement

^{du sulfure} de cadmium est

compose

^{de bandes}

spectrales

^{dont la}

longueur

^{d’onde est voisine - tout en lui restant}

toujours

^un peu

sup6rieure

^{- de celle}

qui correspond

a une transition s’effectuant ^entre le bas de la bande de conduction et le haut de la bande de

valence;

^ces

bandes se

d6placent

^{dans le}

spectre,

^en suivant la variation de la bande

interdite, lorsque

^la

temperature varie; parmi

les radiations du _groupe ainsi

observe,

certaines sont

polarisees;

^{le flux 6mis est} issu du reseau proprement ^dit du cristal et non pas des couches

perturb6es

^en surface. Nous avons mesure la duree de décroissance de la luminescence : elle ^est caract6- ris6e par deux constantes de temps

distinctes,

^toutes

deux

16g6rement

^{variables avec la nature du}

cristal,

dont l’une est voisine de 10-8 s et

1’autre, comprise

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01968002905-6047700

478

entre 10-7 et 10-6 s. Nous avons pu

interpreter simple-

ment ces donnees en attribuant les transitions a des recombinaisons _par l’interm6diaire de niveaux d’exci- ton, ^en faisant

appel

^au schema de la structure de bande du sulfure de

cadmium, propose

par Balkanski

et des Cloiseaux.

Nos

resultats, qui

^{avaient ete confirmes en 1965}

par

Egorov,

^{Muller et Weber}

[1],

^{et en 1966} par Muller et Weber

[2],

viennent de 1’6tre a nouveau

dans un article

[4]

d6taiII6 de M. et Mme Grillot.

I1 convient de noter ici que ^ces auteurs,

depuis 1950,

ont effectu6 un travail considerable concernant la luminescence du sulfure de

cadmium, publi6

^{sur le}

sujet

de nombreux articles dont certains sont cites dans la

bibliographie

^de

[4]

^{sous les nos}

[1], [2], [3], [11], [12], [14]

^et

[15]

et, d’autre part, attire l’attention

sur

l’importance

du role des

excitons, qu’ils

^{ont a}

maintes

reprises invoqu6

pour

expliquer l’origine

^des

bandes mises _par eux en evidence. Ces bandes sont

situees dans un domaine de

longueurs

^d’onde

lege-

rement

deplace

^{vers le} rouge par

rapport a

celles que

nous avons observ6es. Leur

interpretation, qui

^reste

encore en

discussion,

^{a ete a}

l’origine

de nombreux

travaux

expérimentaux.

Cet accord entre les

expérimentateurs

successifs ^est tres

interessant,

^{car les}

origines

des echantillons bom- bard6s sont differentes :

apparemment Egorov,

^Muller

et Weber ont

prepare

eux-memes - a l’Institut de

Physique Technique

de I’ Académie allemande des Sciences de Berlin ^- leurs

monocristaux,

^alors que

ceux sur

lesquels

^{M. et Mme Grillot ont}

travaillé,

^dans

leur laboratoire de la Faculte des Sciences de

Reims,

sont, soit de leur

fabrication, soit,

pour certaines series

d’experiences, d’origine

russe;

quant

a nous, ^{nous avons} bombard6 des cristaux realises au laboratoire de

Reynolds

^ou de la Societe

Aerospace

Research Labo-

ratory (ARL)

^aux

U.S.A., puis

des 6chantillons fournis par la Societe B.A.R.A. de Vanves

(Hauts-de-Seine),

Nous

allons,

^{dans ce}

qui suit,

comparer les resultats obtenus et noter les

points

^sur

lesquels

^{un d6saccord}

subsiste.

Les conditions

experimentales

^sont

voisines;

^{il faut}

cependant

^noter que

Egorov,

^{Muller et}

Weber,

^comme

M. et Mme

Grillot,

travaillent exclusivement en bom- bardant par

impulsions

^{tres breves.}

1)

^{Nous avons}

signal6 1’emission,

^{a la}

temperature

de l’azote

liquide,

d’une bande bleue

polaris6e

perpen- diculairement a l’axe

s6naire,

^{se divisant en deux}

composantes

^{situ6es a 4 855 et 4 880}

A;

^{cette bande}

subsiste a la

temperature ordinaire,

^a

laquelle

^les

longueurs

^{d’onde sont un} peu differentes. Ces resultats

se trouvent entierement

confirmes,

^{a une}

petite

^diff6-

rence

pres

^{entre les}

longueurs d’onde, probablement

due a un

16ger

^{6cart entre les}

temperatures

^au

point d’impact;

^{les auteurs de}

[1]

^et

[2]

travaillent ^avec des filtres ^et leurs conclusions sont

impr6cises,

^mais

qualitativement

^{en accord avec les}

notres;

les valeurs relat6es dans

[4]

^{sont 4 861 et 4 887}

^A.

2)

^{Il en est de même de la variation non} lin6aire de 1’6mission

bleue,

confirm6e elle aussi dans

[1], [2]

^et

[4].

3)

^{Citons encore le}

deplacement,

^{au reste bien}

connu, ^vers les

grandes longueurs d’onde,

de la bande

bleue, lorsque

^la

temperature

s’eleve. Muller et Weber n’en

parlent

pas; ^ce resultat est, ^lui

aussi,

^confirm6

dans

[4].

^Le

phénomène parait particulierement

^int6-

ressant et, ^{a ce} propos, ^nous voulons

rappeler

que, dans

notre

laboratoire,

^{un de nos}

collaborateurs,

^M.

Boissan,

se consacre a une etude d6taill6e de la

question [22].

4)

Dans l’article

[4],

^{il est} note que,

lorsque

^1’exci-

tation

croit,

^{la bande} verte,

qui apparait

^{dans le}

spectre

^{en meme} temps que la bande

bleue,

^et

qui pr6domine

pour les faibles

excitations, d6croit, puis disparait.

^Ce n’est pas ^ce que nous avons

observe,

ⁿⁱ

ce

qui

^est

rapporté

^dans

[2].

^{Dans les} conditions de

nos

experiences,

nous avons vu que, pour les faibles

excitations,

^{il se}

produisait

^une saturation

progressive

de la bande verte, ^{en meme}

temps qu’apparaissait

^la

bande bleue. A tension

6lev6e,

^{la couche}

superficielle d’impuret6s

^{est travers6e et} l’on n’observe

plus

que le

bleu;

^{il en est de meme si l’on}

parvient

^{a faire}

sauter une

petite

écaille du cristal ^et a bombarder la surface ainsi

d6gag6e

^avant

qu’elle

^{ne soit souill6e}

par

1’adsorption d’impuret6s.

I1 serait utile d’entre-

prendre

^{une etude}

qui permettrait

^{de tirer au clair}

les raisons des

petites divergences qui

subsistent entre

les differents resultats.

5)

^Nous avons, a maintes

reprises,

^{insist6 sur l’im-}

portance que ^nous attachons aux mesures de cons- tantes de

temps; Egorov,

^{Muller et}

Weber, qui

^se

proposent ^de

1’entreprendre, estiment,

^en

attendant,

comme

plausible,

^une valeur inferieure a 10-6 _s, ce

qui

^{est en accord avec nos}

resultats,

et, ^{dans une} certaine _mesure, avec ceux de Bleil ^et Broser

[5].

6)

^Par

ailleurs,

nous sommes tout a fait d’accord

avec les _groupes de Berlin ^et de

Reims,

pour dire que le

grand

^int6r6t de la cathodoluminescence reside dans les tres fortes densites d’excitation

atteintes,

^int6r6t

que ^nous avions fait ressortir dans nos

publications (voir

^{notamment sur ce}

point

^les conclusions de la these de Doctorat de M.

Bombre) .

La coincidence de ces

resultats, obtenus,

^{en defi-}

nitive,

^{tout a fait}

indépendamment

^{les uns} des autres,

puisque

^{aussi bien nos}

publications

que celles

d’Egorov,

Muller et Weber semblent avoir

échappé

^a l’attention des chercheurs travaillant dans le _groupe de

Reims,

montre

qu’ils

^n’6taient pas

fortuits,

^et que les bandes bleues du sulfure de cadmium sont ^- et c’est ce

qui

constituait ^une des

principales

conclusions de ^nos etudes ^- a attribuer aux

propri6t6s

^{memes de la}

substance

bombardee,

^{et non} pas ^a des

impuret6s chimiques

accidentellement introduites.

11 serait

cependant

souhaitable que la convergence de ces efforts ne soit _pas, dans

1’avenir,

^{due au}

hasard,

et que,

grace

^{a une} collaboration 6troite ^entre les laboratoires

int6ress6s,

^les

probl6mes qui

^se

posent

encore a propos du sulfure de cadmium ^trouvent

plus

rapidement

leur solution.

479

BIBLIOGRAPHIE

COMPLÉMENTAIRE

[1]

^EGOROV

(W. D.),

^MÜLLER

(G. O.)

^{et WEBER}

(H.), Physica

^Status Solidi, RDA, 1965, 12, 71-80.

[2]

^MÜLLER

(G. O.)

^{et WEBER}

(H.),

Conférence Inter- nationale de Luminescence,

Preprints, Budapest,

1966, 6, ^51.

[3] ^EGOROV

(W. D.),

Physica ^Status Solidi, RDA, 1967, 20, ^705.

[4]

^GRILLOT

(E).)

^et BANCIE-GRILLOT

(M.), J. Physique,

F, 1967, 28, 898.

[5]

^BLEIL

(C. E.)

^{et BROSER}

(I.),

^VIIe

Congrès

Int.

Phys.

Semi-Conducteurs, Paris, 1964, 897,

Éd.

Dunod, ^Paris.

[6]

^BLEIL

(C. E.)

^{et SNYDER}

(D. D.), J. Appl.

Phys., U.S.A., 1959, 30, 1699.

[7]

^BLEIL

(C. E.),

^SNYDER

(D. D.)

^{et SHIVONEN}

(Y. T.),

Phys. Rev., U.S.A., 1958, 111, ^1522.

[8]

^LECOMTE

(J.),

^VIIe

Congrès

^de

Spectroscopie

^Molé- culaire, Amsterdam, 1961; Butterworths, London, 1962.

[9] ^GANS

(F.),

C. R. Acad. Sc., F, 1960, 250, ^1821.

[10]

^BOMBRÉ

(F.)

^{et GANS}

(F.),

C. R. Acad. Sc., F, 1961, 252, 2209.

[11]

^BOMBRÉ

(F.)

^{et GANS}

(F.),

^{C. R. Acad.} Sc., F, 1962, 254, ^4004.

[12] ^BOMBRÉ

(F.),

^GANS

(F.)

^{et GUILLARD}

(J.-M.),

C. R. Acad. Sc., F, 1964, 258, ^545.

[13] ^BOMBRÉ

(F.)

^{et GANS}

(F.), J. Physique,

F, 1963, 24, 143.

[14]

^BOMBRÉ

(F.),

^GANS

(F.),

^GUILLARD

(J.-M.)

^et ROCHEROLLES

(R.), J. Physique,

^{F, 1965, 26, 594.}

[15]

^BOMBRÉ

(F.)

^{et GANS}

(F.),

C. R. Acad. Sc., F, 1965, 261, 4377.

[16]

^BALKANSKI

(M.)

^{et GANS}

(F.), Congrès

^{de Lumi-}

nescence, New York, 1961,

publié

^{dans « Lumi-}

nescence of

Organic

^and

Inorganic

^{Materials »,}

p. 318.

[17]

^BOMBRÉ

(F.),

^{Thèse de Doctorat}

d’État

^soutenue

le 29 mars 1965.

[18]

GUILLARD

(J.-M.),

^Thèse de Doctorat d’Université soutenue le 16

juin

^1967.

[19]

^VAGNER

(J.),

^Brevet

français

^{n° 1394715.}

[20]

^HITIER

(G.)

^{et GANS}

(F.),

C. R. Acad. Sc., F, 1966, 263, ^748.

[21]

^HITIER

(G.)

^{et GANS}

(F.), J. Physique,

^{F, 1967, 28,}

C 3-69.

[22]

^BOISSAN

(J.)

^{et GANS}

(G.),

C. R. Acad. Sc., F, 1967, 265, 1001.