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Défauts ponctuels et observation optique de l'exciton

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HAL Id: jpa-00205522

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Submitted on 1 Jan 1963

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Défauts ponctuels et observation optique de l’exciton

Edmond Grillot, Marguerite Bancie-Grillot

To cite this version:

Edmond Grillot, Marguerite Bancie-Grillot. Défauts ponctuels et observation optique de l’exciton.

Journal de Physique, 1963, 24 (7), pp.531-534. �10.1051/jphys:01963002407053101�. �jpa-00205522�

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DÉFAUTS PONCTUELS ET OBSERVATION OPTIQUE DE L’EXCITON

Par EDMOND GRILLOT et MARGUERITE BANCIE-GRILLOT,

Faculté des Sciences de Reims et C. N. R. S. Paris.

Résumé. 2014 L’exciton,

quasi-atome constitué d’un électron et d’un trou positif en interaction dans un réseau cristallin, n’est pas à proprement parler un défaut ponctuel. Cependant, l’étude

de ses manifestations optiques : absorption lumineuse ou fluorescence se trouve gênée ou fortement compliquée lorsque le cristal comporte des défauts ponctuels superficiels ou profonds. Une certaine

confusion en résulte souvent. L’objet de cette communication est d’apporter quelques remarques à ce sujet, en prenant comme exemple les spectres d’exciton du sulfure de cadmium pur refroidi à très basse température.

Abstract.

2014

The exciton, which is a pseudo-atom consisting of an electron and a positive hole interacting into a crystalline lattice, is not, strictly speaking; a point defect. The study of its optical manifestations, such as optical absorption or fluorescence, however is hindered or highly complicated when there are point defects at the surface or inside the crystal. Some confusion often results from this. The aim of this paper is to make some remarks on this subject, taking as an example the exciton spectra of pure cadmium sulphide, cooled at very low temperature.

LE JOURNAL DE PI1YSIQUE TOME 24, JUILLET 1963,

Il semble maintenant bien admis que le réseau d’un semiconducteur donné puisse comporter plu-

sieurs séries de niveaux d’excitons. Celles d’énergie supérieure à la largeur de la bande interdite, accep- table lorsque la fonction E(k) est multiforme, se

manifeste par l’apparition d’une structure à l’inté-

rieur de l’absorption fondamentale, observable soit dans les spectres d’absorption de cristaux extrê- mement minces, soit dans des spectres de réflexion.

Mais une telle structure pourrait surgir aussi dans

d’autres cas, par exemple répartition dégénérée des

densités des états dans l’une ou 1.autre bande.

L’affirmation de sa nature excitonique devrait donc

impliquer une analyse délicate, basée sur des argu- ments théoriques et expérimentaux, en fait beau-

coup trop rarement présentée dans la littérature.

La première série excitonique, de niveaux s’ins- crivant dans la bande interdite un peu au-dessous de la bande de conductivité, peut se manifester spectralement par des taies (d’absorption ou d’é- mission) de fréquences légèrement inférieures à celle de la limite de la bande d’absorption fonda- mentales, caractéristique de la création des deux

porteurs de charge libres. Cep endant, ici encore beaucoup de circonspection s’impose. Chaque raie

fine d’absorption ou de fluorescence apparaissant

dans ce domaine spectral restreint ne prend pas nécessairement origine dans un processus exci-

tonique : la présence de défauts ponctuels dans le

réseau ou encore de défauts de surface peut aussi

en être la cause. Dans ce dernier cas, la position et

l’intensité° de la raie seront directement liés à la nature et à la concentration de ces défauts. Au

contraire, un processus excitonique, non localisable

sur des. défauts, caractérise une propriété fonda-

mentale du réseau.

Un spectre de raies d’absorption lumineuse

voisin de la limite d’absorption fondamentale peut

donc contenir, outre la série excitonique, d’autres raies juxtaposées ou interposées dues aux défauts

ponctuels, soit en raison de processus qui leur sont

propres, soit par modification dans leur voisinage

des niveaux d’excitons du réseau (excitons « liés »).

C’est ainsi que dans le sulfure de cadmium pur refroidi à 4 °K, les trois raies ÀÀ 4 853,1, 4 857,2

et 4 869,1 A s’observent dans tous les cristaux

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01963002407053101

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tandis que toute une série d’autres, intercalées entre celles-ci sont inconstantes [5]. Se basant sur ce

caractère de ces dernières, certains auteurs [8] en

ont déduit- que l’ensemble de ce spectre’ est celui

d’ « excitons liés ». Il y a là une confusion qu’il

convient de lever : il est aussi inacceptable de rejeter pour les raies permanentes l’hypothèse d’un

processus d’excitons « libres » qu’il le serait de l’admettre pour toutes.

La naissance d’un exciton par absorption d’un photon de même énergie en un point non perturbé

d’un réseau est une transition assez probable pour

se manifester dans tout cristal assez pur et suffi- samment refroidi pour présenter une limite d’absorption bien nette. En revanche, le processus inverse d’émission d’un photon par suite d’annihi- lation spontanée, non localisée, d’un exciton, est

certainement beaucoup plus rarement observable.

Une concentration de défauts ponctuels, insuffi-

sante pour perturber notablement la limite

d’absorption, suffit fréquemment pour provoquer

une vive fluorescence du cristal. Dans le sulfure de cadmium pur notamment, l’intense fluorescence verte habituellement observée à basse température

est due à de tels défauts [1]. Un exciton en mouve-

ment dans le réseau entre facilement en inter- action avec ces centres luminogènes et s’y détruit

alors en engendrant la fluorescence qui les carac;

térise. Ce n’est que dans des échantillons dans les-

quels ces défauts seraient exceptionnellement beaucoup moins nombreux que d’ordinaire que les

excitons, ne subissant pratiquement plus cette interaction, mais ne pouvant non plus s’accumuler indéfiniment dans le réseau, s’annihileraient spon- tanément avec une relativement grande proba-

bilité. Un spectre de raies de fluorescence sur des niveaux d’excitons apparaîtrait seulement alors, se

substituant plus ou moins complètement à celui

d’émission des centres, peu apparent.

C’est précisément un tel phénomène que nous

avons découvert, en 1956, dans des cristaux de sul- fure de cadmium pur que nous avions fait croître

spécialement pour tenter de réduire au minimum la concentration des défauts responsables de la fluo-

rescence verte à 77 oK. Effectivement, à’cette tem- pérature, ces cristaux ne manifestaient exception-

nellement plus aucune fluorescence. A 21 oK la bande verte apparaît très faiblement tandis que se mani- feste beaucoup plus intensément un spectre de

fluorescence nouveau, constitué de raies fines émer-

geant d’un fond continù et formant une série qui

converge vers la limite d’absorption [2]. A 4,DK, ce

dernier reste seul visible, dévoilant une structure

fine en triplets des raies de plus grande longueur

d’onde [3].

D’après les considérations ci-dessus, il paraissait

donc légitime d’envisager ce spectre comme résul-

tant de l’annihilation non localisable d’excitons, apparaissant ainsi pour la première fois en fluores-

cence. La loi quasi-hydrogénoïde des fréquences des

raies observées à 21 OK était un indice supplé-

mentaire.

Pourtant, il nous a semblé que ces apparences

ne pouvaient suffire. Nous avons poursuivi nos

recherches pour tenter de préciser, d’abord si ces raies ne sont pas fortuitement juxtaposées mais

résultent bien de transitions de même nature et ensuite si l’hypothèse de niveaux d’excitons pou- vait être valablement retenue comme la plus vrai-

semblable.

En outre, ici encore, dans ce domaine spectral

restreint de quelque 150 Angstrôms situé juste au

delà de la limite d’absorption fondamentale,

d’autres causes,peuvent également introduire des raies ou des bandes étroites de luminescence. Effec- tivement plusieurs auteurs ont observé que des cristaux de sulfure de cadmium pur d’intense fluo-

rescence verte à basse température émettaient supplémentairement une série de raies bleues.

L’existence de ces deux sortes de spectres de raies

dans cette étroite région est cause de la confusion que l’on rencontre dans plusieurs publications.

En fait, ces deux séries de raies bleues sont très différentes et se rapportent de toute évidence à des

processus bien distincts. Nous avons d’ailleurs pu effectuer nous-mêmes une comparaison expéri-

mentale directe entre ces deux émissions. Recou- rant à divers modes de croissance des cristaux de sulfure de cadmium, nous avons pu aussi obtenir des échantillons de vive fluorescence verte accom-

pagnée du système de raies bleues conforme aux

données de la littérature. Ce dernier est représenté

par le schéma D de la figure 1. Si on le compare au schéma A relatif à notre premier spectre décrit plus haut, on voit bien que l’aspect général des deux systèmes de raies y est très différent, aussi bien

dans la répartition des fréquences des raies que dans celle du fond lumineux (représenté en ha- chures), qui, beaucoup moins important dans le

schéma D s’y interrompt totalement de 4 869 à 4 899 Á, ce qui n’a pas du tout lieu dans le

schéma A.

Une autre propriété qui permet de distinguer

radicalement ces deux spectres est fournie par l’étude de la polarisation de la lumière émise. Celle

provenant de nos cristaux dont le caractère excep- tionnel est démontré par l’absence de fluorescence verte est entièrement polarisée (raies comme fond lumineux) perpendiculairement à l’axe sénaire du cristal [6]. Au contraire, dans les cristaux ordinaires

ni l’intense bande verte, ni les raies bleues ne mani- f estaient une telle polarisation.

Au mieux, un seul de ces deux spectres peut être produit par l’annihilation spontanée, non loca- lisable, ,d’excitons « libres ». D’après les caractères déjà cités : absence de fluorescence verte, conver- gence de la série des raies et loi approximati-

vement quasi-hydrogénoïde qui régit leurs f ré-

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quences, polarisation complète, il apparaît beau-

coup plus vraisemblable d’attribuer une telle ori-

gine à l’émission de nos cristaux exceptionnels.

D’ailleurs, les raies bleues accompagnant une in-

tense fluorescence verte seraient dues à une adsorp-

tion gazeuse [9].

FIG. 1.

A’ : Spectre de fluorescence de raies bleues, formant

une série approximativement quasi-hydrogénoïde, émis

à 4,2 °K par nos cristaux de CdS très pur exempts des défauts de réseau responsables de la fluorescence verte

classique.

B’: Spectre d’absorption optique à 4,2 OK de ces

mêmes cristaux, examiné sans analyseur ou avec nicol orienté E / / c.

C : Même spectre d’absorption examiné avec nicol

orienté E 1 c.

D : Spectre de fluorescence à 4,2 OK de raies bleues

accompagnant une intense bande verte, émise par cer- tains de nos autres cristaux de CdS très pur, préparés

par une autre méthode.

Nous nous sommes efforcés d’accumuler de

arguments ou des critères en faveur de l’hypothèse

de transitions d’excitons à l’émission fluores- cente de nos cristaux (spectre A). La discussion

détaillée des résultats dépasserait le cadre de ce Colloque sur les défauts ponctuels ; elle a d’ailleurs

été rassemblée dans une publication récente [4].

Nous n’en indiquerons donc que les grandes lignes,

pour justifier notre conclusion.

La modification du spectre de raies de fluores-

cence par refroidissement du même cristal de 21 à 4 OK, qui fait surgir pour plusieurs d’entre elles

une structure fine de triplets analogues, la polari-

sation complète des raies et du fond lumineux

duquel elles émergent, par rapport aux directions cristallographiques et enfin, nous le verrons ci- après, l’analogie de dissociation Zeeman observée pour les trois plus fines d’entre elles confirment leur parenté ainsi que leur production au sein même

du réseau cristallin. Elles auraient donc pour ori-

gine des transitions de même nature ayant lieu

dans une même sorte d’atomes ou de quasi-atomes comportant dans un réseau une série d’états dis-

crets, approximativement quasi-hydrogénoides

d’excitation:

En lumière, soit non polarisée, soit polarisée

E Il c, l’absorption lumineuse [6] de nos cristaux exceptionnels mettait seulement en évidence les trois raies permanentes du sulfure de cadmium

(schéma B de la figure 1). Au contraire, en lumière polarisée E 1 ç, la limite d’absorption est déplacée .jusqu’à 4 868 A et laisse seulement subsister la raie permanente de plus grande longueur d’onde.

élargie et plus intense (schéma c de la figure 1),

L’identité de polarisation de la lumière absorbée

dans ce domaine de déclin rapide d’absorption et

de la lumière émise par fluorescence, non seulement

dans cette région mais dans celle adjacente indique

une analogie de nature des transitions impliquées

dans ces phénomènes inverses. L’un et l’autre pro- viennent de systèmes intracristallins polarisés par

rapport aux directions cristallographiques. Enfin,

il n’existe qu’une petite différence de fréquences, toujours dans le même sens, entre les trois raies

permanentes d’absorption et les trois raies de fluo-

rescence des niveaux les plus élevés. S’il s’agit des

trois mêmes niveaux d’exciton, cette différence est nécessaire puisque l’exciton naît (absorption) dans

un réseau non perturbé, mais ensuite entre en

interaction avec celui-ci ce qui modifie légèrement

son niveau.

Trois des phénomènes que nous avons observés sont difficilement explicables autrement que par des transitions d’exciton [4] : la modification

d’aspect du spectre par traversée du cristal par la lumière émise (dans son domaine de complète transparence), l’extinction par des champs élec- triques faibles et la dissociation Zeeman.

Sous l’influence d’un champ magnétique de

28 000 oerstedts appliqué au cristal refroidi à 4 OK,

nous avons en effet constaté [7] une dissociation des trois raies les plus fines, à condition que l’axe sénaire du cristal se trouve disposé perpendi-

culairement au champ magnétique. Dans l’orien- tation parallèle, il n’y a au contraire pas de disso- ciation. En raison de la polarisation de l’émission,

les trois composantes du triplet Zeeman ne sont

donc pas simultanément observables. Mais on

remarque en outre qu’il s’agit d’un triplet Zeeman inverse, caractérisant une transition dipolaire ma- gnétique. En lumière polarisée E 1 c, nous avons

vu que seule subsiste la raie d’absorption centrée

en À .--- 4 869,1 A. Un champ magnétique de

28 000 oerstedts, également perpendiculaire à l’axe sénaire, l’élargit de 1,6 A à 2,2 À, ce qui ne peut s’expliquer que par un dédoublement en compo- santes 7T empiétant l’une sur l’autre, donc, encore

une fois, par une dissociation Zeeman inverse. Nous y avons fait allusion ci-dessus : en raison du très

petit nombre d’exemples connus de transitions de

caractère dipolaire magnétique, le fait de retrouver

un triplet Zeeman inverse pour ces trois raies de

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fluorescence et pour cette raie d’absorption montre

combien est infime la probabilité de transitions non

analogues.

De plus, l’écart entre composantes 7c a été trouvé égal à 0,60 Á, à la fois pour la raie de fluorescence À

=

4 870,0 A et pour la raie d’absorption qui lui correspondrait À

=

4 869,1 A. Dans le champ de

28 000 oerstedts appliqué, c’est précisément la

valeur de la distance des composantes ci du triplet

Zeeman normal. Par contre, le triplet inverse issu de la raie de fluorescence À

=

4 868,2 À est anomal (AX = 0,8 Â) ; il en est de même pour celui de la raie À

==

4 861,4 Â (Ax == 1,2 Â). Les transitions n’ont donc pas lieu dans un atome ou quasi-atome

de type atome alcalin complètement dégénéré. On

ne voit pas non plus que les deux raies conduisant à l’écart normal soient des singulets de couplage

Russel-Saunders.

Cette propriété renforce fortement l’hypothèse, déjà basée sur de nombreuses observations quali- tatives, de transition intervenant dans un quasi-,

atome de type exciton. On sait en effet que dans un

atome quelconque la transition nS - n’S, qui four- nirait un triplet Zeeman normal, est interdite. Mais dans l’annihilation de l’exciton n1S1/2

-

olSlf2

l’état final ne représente plus un quasi-atome :

l’électron reste seul, avec une valeur propre de

l’énergie définïe par des nombres quantiques ayant une toute autre signification que dans l’état initial. L’interdiction pourrait donc se trouver levée.

En conclusion, l’étude de l’absorption lumineuse

et de la fluorescence du sulfure de cadmium pur refroidi dans l’hydrogène ou l’hélium liquide noues

montre que, dans certains cristaux exceptionnels,

l’exciton peut être légitimement tenu responsable

des spectres observés. Cependant, dans les cristaux contenant certains défauts ponctuels en concen-

tration moins négligeable, des raies supplémen- taires, inconstantes, peuvent venir s’ajouter au spectre d’absorption. Autour de défauts ponctuels,

des centres luminogènes peuvent égalernent s’ériger, sièges de la recombinaison des porteurs de charge

libres aussi bien que des excitons. L’émission fluo- rescente alors observée est de type classique. Le spectre de raies de fluorescence qui quelquefois s’y

ajoute est peu vraisemblablement le fait d’exci-

tons.

Il en résulte que, pour tenter d’obtenir des spectres de fluorescence ou d’absorption lumineuse

de l’exciton, il faut d’abord faire croître des cris- taux en s’euorçant d’y réduire au minimum la con-

centration de certains défauts ponctuels. Ensuite,

si de tels spectres sont obtenus, leur étude détaillée et approfondie s’impose, pour dégager quelles sont

les raies qui appartiennent à un même système et

pour étayer l’hypothèse de leur origine excitoni-

que.

DISCUSSION

Question de M. S. NIKITINE.

-

Avez-vous mesuré le temps de relaxation de votre fluorescence ?

Réponse de M. E. GRILLOT.

-

Naturellement cette grandeur serait utile à connaître : une tran- sition dipolaire magnétique étant d’assez faible probabilité, ce temps devrait être assez grand.

Malheureusement, il est difficile à mesurer. Il ne

s’agit en effet pas d’une fluorescence de résonance,

où l’on peut déterminer l’instant précis d’excitation et celui de l’émission. Ici, au contraire, la fluores-

cence était provoquée par irradiation ultraviolette

proche. Dans une première étape, les porteurs de charge libres apparaissent. Ultérieurement, leur

rencontre fortuite" convenable produirait un exci-

ton. Celui-ci erre dans le cristal puis s’annihile. Le

temps de vie mesuré serait donc la somme de celui de l’exciton et de celui des porteurs de charge (les

deux qui s’associent n’étant pas nécessairement

produits au même instant puisqu’il en faut une

assez grande concentration pour que la probabilité

de leur association ne soit pas négligeable). En outre, certaines de nos expériences nous conduisent

à penser que le photon résultant de l’annihilation de l’exciton en un point du réseau puisse être à

nouveau absorbé plus loin pour former un nouvel exciton. Ce mécanisme serait notamment impor-

tant pour les niveaux bas, et expliquerait leur non

observation en absorption, en écart avec la théorie.

S’il en est ainsi, la mesure pourrait donner le temps

de vie de deux ou plusieurs excitons successifs.

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