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Submitted on 1 Jan 1965
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Relations entre la photoluminescence sous excitation modulée et la thermolumtnescence pour les sulfures du
type ZnS
G. Blanc, J.P. Leroux
To cite this version:
G. Blanc, J.P. Leroux. Relations entre la photoluminescence sous excitation modulée et la ther- molumtnescence pour les sulfures du type ZnS. Journal de Physique, 1965, 26 (7), pp.419-426.
�10.1051/jphys:01965002607041900�. �jpa-00205987�
RELATIONS ENTRE LA PHOTOLUMINESCENCE SOUS EXCITATION MODULÉE
ET LA THERMOLUMTNESCENCE POUR LES SULFURES DU TYPE ZnS Par G. BLANC et J. P. LEROUX,
Laboratoire de Mécanique et d’Énergétique Générales de la Faculté des Sciences de Paris.
Résumé. - Une substance phosphorescente est excitée par
unrayonnement du proche ultra-
violet modulé
enamplitude à une fréquence fixe. L’émission
a untaux de modulation P et
undéphasage 03C8 par rapport à l’excitation, fonctions de la température T de la substance. Dans le
cas d’une profondeur unique de pièges à électrons et d’une cinétique du premier ordre,
uncalcul théorique établit des relations entre les températures des extremas des courbes P(T) et tg 03C8 (T)
et la température du pic de thermoluminescence. On
aétudié expérimentalement le taux
de modulation des émissions de sept sulfures soumis à
unrayonnement du proche ultraviolet modulé
enamplitude à la fréquence de 100 Hz. Pour chacun des phosphores,
onobserve que les
températures Tm des minima des courbes P(T) sont indépendantes de l’épaisseur du revêtement luminescent, de l’intensité moyenne d’excitation et, pour
unemême bande d’émission, de la lon-
gueur d’onde. De plus, dans tous les
casoù les courbes de thermoluminescence ont des pics bien séparés de température T*,
onconstate que le rapport T*/Tm est constant et
savaleur égale à 0,71
avec
une dispersion de 4 %. Ce résultat comporte cependant deux exceptions (0,63 et 0,655) pour l’ensemble des 18 pics de thermoluminescence correspondant
aux7 sulfures. En partant des for-
mules théoriques établies,
onest conduit à une évaluation de certaines probabilités mal connues
de transitions optiques.
Abstraet. 2014 A phosphor is excited by
anultraviolet radiation (366 m03BC) whose amplitude is
modulated at
agiven frequency. The modulation ratio P of the emission and its phase shift 03C8
when compared to excitation depend
onthe phosphor temperature T. For the case of
asingle
electron trap depth and
afirst order kinetic,
atheoretical computation leads to the relations between the glow peak temperatures and the temperatures for the minima of the P(T) curves and the
maxima of the 03C8(T) curves. An expérimental study has been made of the modulation ratio for seven sulphide samples ; the modulation frequency
was100 c/s. For all these phosphors the temperatures Tm of the minima of the P(T) curves were shown be to independent of the thickness of the luminescent layer, of the average excitation energy and, for
agiven emission band, of the
wave length. In addition, in each case when the glow curves have well-separated peaks for
agiven temperature T*, the value of the ratio T*/Tm is the same, that is about 0. 71 within
adis-
persion of 4 %. Among the 18 glow peaks corresponding to the 7 samples, two exceptions to
the above result were observed (0.63 and 0.655). The values for some electronic transition pro- babilities that were the previously badly known can be derived from the theoretical relation-
ships described in the present paper.
PHYSIQUE
I. Introduction.
-Si l’on soumet une substance
phosphorescente a une excitation modulee en amplitude, a la frequence N, 1’emission corres-
pondante est elle-meme modul6e a la meme fr6- quence et pr6sente un d6phasage par rapport a
F excitation : d6phasage et taux de modulation de lemission dependent, en particulier de la temp6-
rature.
A notre connaissance, cette influence de la tem-
p6rature ne semble pas a.voir beaucoup retenu
1’ attention avant 1961, ou elle a ete exploitee
pour la determination des temperatures super-
ficielles [16]. A ce jour, et d’une fagon plus g6n6- rale, la photoluminescence sous excitation modul6e
a fait l’obj et d’un certain nombre de travaux : Des mesures, 6 temperature constante, de taux
de modulation et de d6phasages ont fourni le temps
de declin de fluorescence de substances organiques.
Celles-ci 6taient soumises a une excitation UV modul6e a une frequence de plusieurs MHz [1], [2].
Dans le cas des sulfures et d’une modulation sinu-
soidale a 100 Hz, de telles mesures ont ete utilis6es
pour distinguer les divers m6canismes de lumi-
nescence [3]. Toujours dans le cas des sulfures et pour une frequence de 100 Hz, des observations ont port6 sur 1’evolution en fonction de la tempe-
rature du taux de modulation des emissions [4], [5]
et de leur d6phasage par rapport a 1’excitation [6].
A partir d’une relation bas6e sur une cinetique du premier ordre [4] (1), une 6tude a f requence va-
riable [6] montre dans le cas d’un ZnS(Cu) la possibilit6 d’obtenir des precisions quantitatives
sur les probabilités de transitions électroniques.
Enfin, des calculs ont ete publi6s a partir d’une ein6tique du second ordre ; ils sont suivis d’exp6-
riences a diverses frequences sur des phosphores du
groupe ZnS [7].
Dans le present article, des considerations th6o-
riques conduisant a des relations simples seront
reli6es a un ensemble de resultats exp6rimentaux
(1) 11 s’agit de la relation (1) du paragraphe suivant.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01965002607041900
420
relatifs a 1’6tude, en fonction de la temperature du
taux de modulation des emissions de sept sulfures
soumis 6 une excitation du proche UV modul6e
a 100 Hz.
II. Considerations th6oriques. (2). - Soit un rayonnement UV d’intensit6
107 valeur moyenne de cette excitation, aIo(a 1)
et w, amplitude et pulsation de la composante sinusoidale, respectivement. Nous d6finirons le taux de modulation de I(t) par :
Consid6rons maintenant une substance phospho- rescente, excit6e dans les centres luminog6nes par I(t) et dont les niveaux pieges sont supposes situ6s
a une meme profondeur E (fig. 1). Soient, par unite de volume et au temps t :
F’IG. 1.
n, le nombre de pieges pleins, v, le nombre
d’electrons dans la bande de conductibilite.
D6signons ensuite par :
oc, la probabilite par unite de temps de transition radiative d’un electron de la bande conductibilité
vers un centre luminogene ; 3, la probabilite par unite de temps de capture d’un electron de la bande
de conductibilitépar un piege ; p, la probabilite par unite de temps de sortie d’un electron d’un pi6ge.
On admet en general [8] :
avec s : constante pour une prof ondeur E donnee,
k : constante de Boltzmann,
T : temperature absolue.
l/hypothèse d’une ein6tique du premier ordre
conduit aux equations :
L’emission de luminescence s’exprime par
L(t)
=0153v.
(s) Elles ont 6t6 établies en collaboration avec M. le Pr D. Curie et M. C. Marti.
L/equation caractéristique du syst6me diffe-
rentiel lineaire (I) a deux racines r6elles negatives
et la solution se r6duit, au bout d’un intervalle de
temps suffisant, a la solution particuliere qui repre-
sente le regime stationnaire. On obtient alors :
avec
Le taux de modulation de remission a donc pour
expression :
A um .. n
Le déphasage de 1’6mission par rapport 1’excitation s’exprime par :
Studious d’abord 1’evolution de P avec la teln-
p6rature en supposant oc, B, s, w constants.
p = s e--/"7’ est une fonction continue cons-
tamment croissante de la temperature et Pest lui-
meme une fonction de p qui pr6sente un minimum ( fig. 2) pour :
FIG. 2.
c’est-a-dire a une temperature Tm telle que :
Mais, dans le cadre des hypotheses faites (pro-
fondeur de pieges unique et ein6tique du premier ordre), il existe une relation entre E et la temp6-
rature de thermoluminescence T* correspondante [9]
avec y
=dT /dt
=vitesse d’echauffement ; To et
K sont deux quantites dependant du rapport T/s.
Si 1’on se contente d’une precision de 2 ou 3 %,
cette formule peut s’ecrire sous la forme approchee :
ou K’ d6signe une quantite d6finie par le rap-
port T /s (3). On peut alors écrire (4) sous la forme :
qui établit un rapport entre temperature de ther-
mo-luminescence T* et temperature Tm du mini-
mum du taux de modulation.
L’etude de tg w en fonction de la temperatule
montre de la meme façon que cette fonction passe par un maximum (fig. 3) pour la valeur
FIG. 3.
c’est-a-dire à une temperature Tm telle que
Pratiquement, nous assimilerons le cas d’un sul- fure ayant un seul groupe de pieges dont le maxi-
mum de la r6partition est a une profondeur E au
cas th6orique trait6. Si le sulfure pr6sente plusieurs
groupes de pieges bien s6par6s, on admettra pour chacun d’eux les relations (5) ou (7) en caracté-
risant chacun des groupes par leur profondeur E.
L’application des relations (1), (2), (3), (5), (6), (7) peut conduire a des valeurs num6rique pour a, (3
et s a partir des resultats d’etudes faites a tempe-
rature et f requence variables.
Au cours d’une 6tude [5] a f requence constante (100 Hz) et a temperature variable, nous avons
obtenu, pour deux sulfures de zinc, soit cinq groupes de pieges bien s6par6s, un rapport T*lTm constant
a quelques % pres. Les experiences d6crites ci- dessous portent sur cinq autres sulfures [10].
III. Dispositif expérimentaI.
-1° SOURCE
D’EXCITAT101B1.
-La source proprement dite est
une lampe a vapeur de mercure haute pression
contenue dans un boitier muni d’un verre de Wood (s) Par exemple pour T
=0,1 IDC/s et
s6gal a 10’,
109, 10’ [14] et [15],
onpeut prendre K’ 6gal respecti-
vement a 565, 510, 460.
(e
=3 mm). La lampe est aliment6e par le secteur alternatif 50 Hz stabilise en tension. La source
ultraviolette ainsi constituee 6met principalement
un rayonnement de longueurs d’onde 365-366 mu, module a 100 Hz, de composante alternative prati- quement sinusoidale. Ce rayonnement, d’intensit6 fonction du temps f (t), provoque une emission de
luminescence, d’intensit6 L(t), dont la composante alternative est egalement sinusoïdale;(fig. 4a et b)
et la frequence 100 Hz.
FIG. 4.
-Oscillogrammes de 1’6mission verte du ZnS(Cu)
n° 2 a 20 °C (a) et 350 °C (b).
L’etude du taux de modulation de L(t) implique
une fonction d’excitation f (t) bien d6finie, o’est-h-
dire :
-
une frequence fixe, ici le double de la fr6-
ql1ence du secteur alternatif ;
-
un taux de modulation
Puv 7-- Valeur efficace de la composante alternative de f (t)
Valeur moyenne de f(t) constant, sa valeur est 6gale a 0,62 ;
-
enfin, pour une meme s6rie de mesure une
valeur moyenne de f (t) : Muv, constante également.
20 REFROIDISSEMENT ET CHAUFFAGE DU PRO- DUIT LUMINESCENT.
-En collaboration avec le Laboratoire de Luminescence de M. le pr Mattler (4)
nous avons pu faire construire un appareil [10]
perrnettant le relev6 des courbes de thermolumi-
(4) Nous remercions particulièrement M. T. Ceva,
422
nescence et des courbes d’6volution du taux de modulation des emissions en fonction de la temp6-
rature.
Les revêtements luminescents sont 6tudi6s sous
forme de couches de faible 6paisseur. Nous dis- tinguerons par la suite trois sortes de revêtement : mince : environ 5 mg de poudre par cm2, ou 0,02 mm d’épaisseur ;
moyen : environ 10 mg de poudre par cm2, ou 0,04 mm d’6paisseur ;
epais : environ 15 mg de poudre par cm2, ou 0,06 mm d’6paisseur.
30 RECEPTION DES EMISSIONS ET MESURE DES TAUX DE MODULATION,
-a) Réception des émissions.
L’appareil comprend un objectif achromatique,
une fente d’entree, un porte filtre a six positions, enfin, un photomultiplicateur RCA 1P 21.. Le porte
filtre peut avoir un mouvement de rotation auto-
matique pour le relev6 simultane de deux courbes de thermolunlinescence ( fig.10).
b) Mesure des taux de modulation.
Dans nos exp6riences, lorsque le photomulti- plicateur regoit un rayonnement p6riodique de fr6-
quence 100 Hz (excitation U. V. ou emission de
luminescence), il d6bite un courant i(t) de compo- sante alternative pratiquement sinusoidale (fig. 4a
et b, par exemple) et le taux de modulation que
nous associerons au rayonnement sera :
Le dispositif utilise pour la mesure de P est decrit dans une publication r6cente [11]. II fournit
directement la valeur, 6ventuellement enregistr6e,
du taux de modulation, et ce, avec une fidelite de 1 %.
IV. R6sultats expérimentaux.
-L’6tude a porte
sur des sulfures divers : ZnS(Mn), ZnS-CdS(Mn, Au) ZnS(Cu, MgCl2), ZnS-CdS(Cu), ZnS(Cu) no 2.
Nous rappellerons en outre les resultats d6jA obte-
nus [5] avec un ZnS(Cu) no 1 et un ZnS(Ag) (5).
Pour ces phosphores, nous donnerons les r6sul- tats concernant :
a) Les longueurs d’onde des bandes d’6missions
(voir tableau ci-dessous).
b) L’evolution P
=Q(T) du taux de modu-
lation P des emissions filtrées en fonction de la
temperature. Nons avons etudie l’influence des facteurs suivants :
-
bande passante (A, AX) du filtre optique ;
-
valeur moyenne Muo de l’intensite d’excita- tion reque par le revêtement ;
-
6paisseur e du revotement.
Pour un filtre donne, nous noterons les temp6-
(5) Les trois premiers sulfures ont 6t6 pr6par6s au labo-
ratoire de M. Mattler, les autres sont des produits indus-
triels.
ratures Tmi des minimums des courbes P
=cp( T)
et d6signerons par Pmi les valeurs correspondantes
de P pour une meme courbe.
c) Les courbes de thermoluminescence relev6es
avec ou un deux des filtres précédemment utilises.
Nous sp6cifierons la temperature rr de chaque pic et nous noterons It son intensite.
10 OBSERVATIONS GENERALES SUR LES COURBES
.P
=cp(T).
-Ces courbes presentent une succes-
sion d’extrema ( fig. 5, 6, 8 et 9).
Si le phosphore n’a qu’une bande d’emission, les
courbes P
=Q( T) dependent tres peu de (A, AX).
___
0.6L .
FIG. 5.
-Courbes P.,Mu, = cpa(T) pour CdS-ZnS(Cu).
e
et Muv : constantes. À: variable (filtres interférentiels).
FIG. 6.
-Courbes Pz
=cp.,M.,(T) pour CdS-ZnS(Cu)
avec un verre color6 vert, A= 526 mX, Ay
=65 ffi(L.
e
et Muv : variables.
FiG. 7.
-Courbe de thermoluminescence du CdS-ZnS(Cu).
Temps d’excitation : 45
mn.Temps d’obscurit6 : 2
mn.T ~ 5 oC/mn, verre color6, À
=525 m(1., AX
=65 mu.
FIG. 8 - Courbes P,.M.,
=(px(T) pour ZnS (Cu, MgCl2),
e
mince, Muv
=Cte.
Dans le cas d’une emission a deux bandes les 6volutions de P en fonction de la temperature se distinguent nettement pour chacune d’elles (fig. 5
et 8). Par contre, les temperatures des minima de
ces courbes dependent peu de À sauf pour les tem-
p6ratures 6lev6es (6) (fig. 5 et 8). On retrouve cette
observation pour tous les sulfures a deux bandes d’émission lorsque 1’extinction thermique se mani-
feste fortenient sur l’une d’elle ; corrélativement,
les courbes se confondent. Pour les courtes lon- (6) Une seule exception est a noter aux basses temp6-
ratures pour ZnS (Cu, MgCl2) ( fig. 8) mais elle corres-
pond a
uneparticularite deja signal6e [12] pour les courbes de thermoluminescence (fig.10).
FIG. 9.
-Courbes Pa
=qpemuv(T) pour ZnS (Cu, MgCl2),
X = 470 mu, AX
=50 my.
e
et Muv : variables
gueurs d’onde, ce type de minimum peut ne pas
correspondre a un groupe de pi6ge particulier : en effet, lorsque la temperature croit, il est possible
que I’affaiblissement de la bande d’emission de conrte longueur d’onde conduise 6 des valeurs de P
déterminées en part importante par de la lumi6re
appartenant a la bande d’emission de grande lon-
gueur d’onde.
Pour un meme filtre optique, les temperatures Tm
des minima des courbes P
=Q(T) sont ind6pen-
dantes de 1’6paisseur e des revatements et de l’in- tensite moyenne d’excitation Muv, (fig. 6 et 9).
Signalons enfin que les courbes P
=Q(T) sont
r6versibles et ind6pendantes des vitesses de chauf-
fage ou de refroidissement.
20 RÉSULTATS QUANTITATIFS. COMPARAISON DES COURBES P
=Q(T) ET DES COURBES DE THERMO- LUMINESCENCE.
-.Ijes figures 7 et 10 donnent des
exemples de courbes de thermoluminescence obte-
nues. La figure 10 est une reproduction de 1’enre- gistrement simuitan6 de deux courbes de thermo- luminescence correspondant a deux filtres bleu et vert A large bande ; : ces courbes mettent en 6vi- dence pour le premier pic de chacune d’elle un
d6calage analogue a celui observe aux basses tem-
p6ratures sur les courbes P
=Q(T) de la figure 8.
Le tableau ci-dessous regroupe, avec les nota- tions des paragraphes IV b, c, les resultats relatifs a 1’ensemble des sept sulfures etudies.
Les valeurs du rapport T* jTm obtenues pour
sept produits differents, soient 18 pics de thermo- luminescence, se regroupent autour de 0,71 à
± 4 % pres a l’exception de deux valeurs (0,63 et
0,655).
424
On pourrait done, a partir des courbes P
=Q(T)
utiliser eventuellement la relation T*IT.
=0,71
pour prevoir la position des pics de thermolumi-
nescence. Ce proc6d6 pr6senterait les particularités
suivantes :
Les 6volutions du taux de modulation P
=Q( fi)
sont ind6pendantes de la vitesse de chauffage ou de
refroidissement et sont r6versibles. Ce caractere est
remarquable en luminescence ou le sens et la vitesse de revolution de temperature sont parfois
determinants lors de l’observation d’un phenomene,
en electroluminescence [13] et en thermolumines-
cence par exemple.
Les mesures sont faites sous excitation donc avec
beaucoup d’6nergie disponible. Cela permet d’uti-
liser des filtres optiques a bande étroite.
A partir de la relation T*
=0,71 Tm, on peut pr6voir les temperatures de certains pics de thermo- luminescence, trop faibles pour pouvoir etre
atteintes effectivement a l’aide d’appareils a azote liquide. Pour CdS ZnS(Mn, Au), on devrait obtenir
un premier pic de thermoluminescence à
valeur trop proche de la temperature minimum
utilisée (78 OK) pour que l’observation precise en
soit possible (fig. 11).
Remarques relatives
autableau :
(1) Pas de minimum mais
unchangement de pente a Tp
=258 °K ; T* /Tp
=188 /258
=0,73 et Pp
=0,363.
(2) A Tm correspondrait T*
=0,71 X Tm
=84 oK et E
=0,17 eV.
(3) A Tm correspondrait T*
=0,71 X Tm = 332 oR et E
=0,665 eV.
(4) Aucune particularite sur P
=qp(T).
(5) Point d’inflexion sur P
=Q(T) a Tinf
=197 OK ; T* /Tint
=0,665.
(6) Aucune particularite sur P
=cp(T).
(7) Le minimum obtenu a 455 oK avec
unfiltre bleu peut
nepas correspondre a
ungroupe de pieges donne. Lorsque
la temperature croit, il est possible que 1’affaiblissement de la bande d’6mission bleue conduise a des valeurs de P déter-
min6es
enpartie par la lumi6re verte transmise par le filtre optique (voir IV-1).
FIG.110. - Courbe de thermoluminescence du ZnS(Cu, MgCl2). Temps d’obscurit6 : 8 mn. T ^r 6°/mn.
(1) : À
=470 my, AX
=50 mu. (2) : X
=525 my, A= 65 mu.
FIG. 11.
-Courbe de thermoluminescence du CdS-
ZnS(Mn, Au) (verre coloré) À
=530 mu, AX
=85 mu,
T ~ 10 oC/mn. Temps d’excitation : 45 mn, temps
d’obscurit6 : 0.
Cette relation met aussi en evidence certains groupes de pieges profonds pour lesquels le pheno-
mene d’extinction thermique interdit l’obtention
des pics de thermoluminescence ( fcg. 11). C’est le
cas du produit ZnS CdS(Mn, Au) pour lequel le
troisieme minimum t’m
=467 OK des courbes P
=y(T) laisse pr6voir une temperature de ther-
moluminescence
Le groupe de pi6ge correspondant est a une pro- fondeur voisine de E
=T* /500
=0,66 eV.
On doit cependant retenir l’impr6cision relative
de la determination du rapport T* /Tm
=0,71
faite a 3 ou 4 % pres. D’autre part, les minima des
6volutions de 1’
=cp(T) ne sont g6n6ralement pas
aigus, il s’ensuit un manque de
«finesse » (’) dans I’analyse des diff6rents groupes de pieges. C’est ce qui parait etre 4 l’origine des exeeptions relevees
pour le ZnS(Cu) n° 2 dont deux des trois groupes de pieges sont assez rapproch6s.
Enfin, si 1’on excepte c e ZnS(Cu) n° 2, on observe
en general qu’A un classement Pml, PM2
...des
valeurs Pmi des minima d’une courhe P = Q( T) (’) Ce manque de finesse
nes’accompagne pas n6ces- sairement d’un manque de sensibilite : a des pics de ther-
moluminescence isol6s mais de faible intensite peuvent correspondre au contraire des minima bien marques (com-
parer par exemple les figures 6 et 7).
426
correspond un classement inverse pour les va-
leurs I1, I2
...des intensites des pics de thermo-
luminescence.
30 EXPLOITATION DES FORMULES THEORIQUES.
EVALUATION DE (2a fl- B).
-Dans le para-
graphe II, nous avons Ptabli les relations (3) et (5) :
De la premiere, on déduit :
dont le second membre peut etre num6riquement
connu a partir de l’expression (5) en adoptant
pour T*/Tm la valeur expérimentale 0,71. Avec T
=0,1 OC/s et C02
=(2007r)2, on ohtient les r6sul- tats suivants qui montrent la faible dependance de
la quantite (2a + p) en fonction de s.
Remarqu,e : L’hypothese d’une cin6tique du pre- mier ordre ne permet pas de rendre compte des
variations du taux de modulation en fonction de l’intensit6 moyenne d’excitation. Ce simple fait
montre que le m6canisme de la luminescence dans les sulfures sous excitation n’est pas essentiellement
«