Les proprietes optiques de couches minces

d'yttrium sous ultravide statique

J-P. P6trakian, J-P. Palmari, et G. Rasigni

It is shown that yttrium presents a normal absorption band near 5.6 eV and another band whose charac-

istics depend upon their film structure. The influence of temperature on the films shows the existence of

an anomalous absorption phenomenon.

I. Introduction

Ce travail s'insere dans le cadre d'une etude gen6raledes terres rares. De configuration 6lectronique externe5s24d l'yttrium possede de plus la structure hexagonalecompacte. II s'apparente donc aux terres rares les pluslourdes qui ont la configuration electronique externe6s25d et la meme structure cristalline. Ces analo-gies laissent pr6voir des propriet6s optiques assezsemblables. Cependant, l'etude de l'yttrium est plussimple, car il n'intervient pas, en ce qui le concerne,certains effets magn6tiques et relativistes qui se mani-festent avec les lanthanides.i Elle devrait donc ap-porter des indications pr6cieuses pour l'interpretationdes ph6nomenes observ6s sur les terres rares.

11. Technique experimentale

Les r6sultats obtenus par Blodgett et Spicer sur lescouches minces de gadolinium2 montrent que l'exposi-tion prolong6e de dep6ts sous un ultravide dynamiquede 10-9 Torr entrane une modification de leurs pro-pri6tes. I est donc important d'6liminer au maximumtout agent contaminant en effectuant des mesuresoptiques sous ultravide statique tres propre. Lamethode experimentale utilis6e, faisant l'objet d'uncompte rendu d6taill6,3 nous n'en rappellerons ici quel'essentiel. Dans une enceinte Pyrex, separe de songroupe de pompage ionique, les couches minces sontvaporisees h l'aide d'un four a induction et d6pos6es surun support de quartz, sous une pression inf6rieure a

The authors are with the Laboratoire de Physique C.P.E.M.IV, Facult6 des Sciences de Marseille, Place Victor-Hugo, Mar-seille, France.

Received 17 February 1970.

10-9 Torr. Dans ces conditions les couches sont6tudiees sous un ultravide statique non contamine.

L'interet d'un tel dispositif reside dans le fait quesous ultravide statique l'evolution des propri6tesoptiques de m6taux tres oxydables tels que l'yttrium estn6gligeable. La figure 1 donne les variations du facteurde transmission d'une couche mince d'yttrium enfonction de la longueur d'onde de la radiation incidente.Afin d'6viter toute erreur systematique, nous avonsv6rifi6 que ces premieres mesures (courbe 0 ) effectueesimmediatement apres la projection, a 'aide d'unmontage comprenant un monochromateur a r6seaux,coincidaient sensiblement avec celles effectuees a 24 hd'intervalle, en utilisant un monochromateur a prisme(courbe ()). De meme, l'exposition prolongee de d6p6tssous ultravide statique n'entrame que peu de modifica-tions des variations du facteur de transmission. Lafigure 2 montre l'evolution de ce facteur pour une couchemince d'yttrium apres deux mois et demi de vieillisse-ment sous un ultravide statique de 10-9 Torr. On peutconstater que celui-ci entraine une variation d'ampli-tude du facteur de transmission ne d6passant pas 1.5%dans l'ensemble du domaine spectral etudi6. Parcontre cette exposition n'affecte pratiquement pas laposition des extremums.

11. R6sultats exp' rimentaux

Les variations de la quantit6 2vxd/X (v indice derefraction, x indice d'extinction, d epaisseur optique-ment efficace), proportionnelle a l'absorption descouches et calculee a partir de leur facteur de transmis-sion (Fig. 3) a l'aide des relations de Wolter,' sont repre-sentees sur la figure 4. L'observation de ces courbesmontre que l'absorption optique de couches mincesd'yttrium, d'epaisseur 20 < d < 150 A, presente danstous les cas un maximum tres marque dont l'abscisseau voisinage de 5.6 eV depend peu de cette epaisseur.Dans la partie visible du spectre on constate l'existence

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par Rasigni et Rouard7' et dans le cas des m6tauxalcalins par Payan et Roux.9 Dans le but de pouvoirinterpr6ter convenablement l'origine de cette absorp-tion, il nous a sembl6 logique de modifier la structure descouches en les portant diffrentes temperatures.Notre tude a port6 essentiellement sur la couche laplus paisse de la figure 3. La figure 6 traduit lesresultats obtenus. Les courbes 0 --, 0-3 donnent lesvariations du facteur de transmission de cette coucheportee respectivement aux temperatures

- 20'C:-100°C:-150°C:-250'C:

temperature ambiante,pendant 1 h,pendant 3 h,pendant 3 h.

En considerant qu'a un minimum du facteur detransmission correspond un maximum de l'absorptionde la couche, on constate que la variation de tempera-ture entraine des modifications notables des effetsobserves, notamment en ce qui concerne le phenomened'absorption se produisant dans la partie visible duspectre. La bande correspondante se dplace vers les

Fig. 1. Variations du facteur de transmission d'une couchemince d'yttrium en fonction de la longueur d'onde de la radia-tion incidente. Q, Montage utilisant un monochromateur r6seaux; ®, montage utilisant un monochromateur A prisme.

d'un second maximum dont l'amplitude et la positionvarient avec l'6paisseur des ddp6ts.

La comparaison de nos rsultats experimentaux etdes calculs theoriques effectues par Loucks' permet depenser que la bande d'absorption situ6e dans la partieultraviolette du spectre au voisinage de 5.6 eV estcaract6ristique du mtal massif. En effet cet auteurtrouve que la densit6 des tats pour l'yttrium est tresforte au voisinage de 0.42 rad, ce qui correspondrait une transition entre bandes d'energie, situ6e 5.7 eV.L'interpretation de la seconde bande d'absorption estplus d6licate. On peut remarquer que l'amplitude deson maximum augmente avec l'6paisseur des couchestandis que son abscisse se dplace du c6t6 des faibles6nergies entre 3 eV et 2.5 eV. I est interessant denoter que ces observations sont en parfait accord avecles rsultats exp6rimentaux qui ont 6te obtenus parSchtiler5 pour le gadolinium et le lutecium et parPetrakian pour le terbium (Fig. 5).! De plus, lescalculs theoriques effectues par Cornwell (1965) sur legadolinium montrent que la plupart des transitionselectroniques perinises apparaissent dans une gammed'6nergie comprise entre 2 eV et 3 eV. Cependant,l'observation de l'6volution des caract6ristiques de labande d'absorption qui apparaft dans la partie visibledu spectre semblerait indiquer que l'yttrium presenteun phdnomene d'absorption anormale analogue celui6tudi6 dans le cas de couches minces de mtaux nobles

30-

25-

202000 4000 6000

X en A

8000

Fig. 2. Evolution du facteur de transmission d'une couchemince d'yttrium en fonction du temps. (iJ, Mesures effectueesimm6diatement apres la projection; (®), mesures effectueesapres un vieillissement de deux mois et demi sous un vide statique

de 10-9 Torr.

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T .

90-

80

702000 4000

X en A

6000 8000

-(9)

IT

courtes longueurs d'onde et son intensit6 decroitlorsque la temperature augmente. Par contre la posi-tion de la bande d'absorption situee a 5.6 eV n'est pasaffect&e par la variation de temperature. Seule sonintensit6 augmente lorsque cette dernibre croit. Cesr6sultats sont en tous points analogues a ceux mis en6vidence dans le cas de couches minces d'or par Payanet Rasignil' et par Payan et Roux sur le sodium.9

IV. Conclusion

L'6tude de couches minces d'yttrium nous a permis demettre en vidence deux bandes d'absorption trdsmarquees pour les couches les plus epaisses. I paraitraisonnable de penser que la bande d'absorption situ~ea 5.6 eV dans la partie ultraviolette du spectre estcaract6ristique du m6tal massif, et correspond une

2iXdX 102

90-

80

76697

58150

43-30-

20

Y1

Y2

Y3

Y4

I I I I

2000 4000 6000 8000 X en A

Fig. 3. Variations du facteur de transmission de quatre couchesminces d'yttrium en fonction de la longueur d'onde, d'epaisseurs

variant entre 20 A et 150 A.

23-

21

19

Tb

Y

JE en eV

2 i 4 5 6

Fig. 5. Variations de l'absorption optique d'une couche minced'yttrium et d'une couche mince de terbium, en fonction de

l'energie de la radiation incidente.

31-

30-

29-

28-

27-

26-Y4

25-

24-

Y3 23-

22-

Y1

eVI I I

2 3 4 5 6

Fig. 4. Variations de l'absorption optique de quatre couchesminces d'yttrium en fonction de l'energie de la radiation inci-

dente.

21-

TX

I: 250 C

©

: 20 C

X en A

d-V , I I I I /

2000 4000 6000 8000

Fig. 6. Variations du facteur de transmission d'une couchemince d'yttrium en fonction de la temperature.

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-

. ,

- -

~1n

transition interbande. Les caractdristiques de labande d'absorption situde dans la partie visible duspectre entre 2.5 eV et 3 eV dependent de la structuredes couches. Elles traduisent un ph6nomene d'absorp-tion anormale analogue celui mis en evidence dans lecas de couches minces de mdtaux nobles et a un dlectronoptique.

Nous pensons que les conclusions de cette dtude pour-ront tre d'une grande utilite dans l'interprdtation desr6sultats obtenus sur les terres rares de constitutionplus complexe.

Bibliographie1. T. L. Loucks, Phys. Rev. 144, 504 (1966).2. A. J. Blodgett, Jr., W. E. Spicer, and A. Y-C. Yu, in Optica

Properties and Electronic Structure of Metals and Alloys F.l

Abelbs, Ed. (North-Holland, Amsterdam, 1966), pp. 246-256.3. J-P. Petrakian et J-P. Palmari, "Rdalisation d'une enceinte

pour '6tude de couches minces mtalliques sous ultra-videstatique, in Thin Solid Films, 4, 423 (1969).

4. H. Wolter, Z. Physik 105, 269 (1957).5. C. C. Schiuler, in Optical Properties and Electronic Structure

of Metals and Alloys, F. Abelbs, Ed. (North-Holland, Amster-dam, 1966), pp. 221-225.

6. J-P. Ptrakian, Compt. Rend. Acad. Sci. Paris (1970), Sous269, 434 (1969).

7. G. Rasigni, Compt. Rend. Acad. Sci. Paris 254, 881 (1962).8. G. Rasigni et P. Rouard, J. Phys. 23, 221 (1962).9. R. Payan et D. Roux, Opt. Commun. 1, 37 (1969).

10. R. Payan et G. Rasigni, Compt. Rend. Acad. Sci. Paris 262,1145 (1966). 1

11. J. F. Cornwell, Group Theory and Electronic Energy Bandsin Solids (North Holland Publ. Co., Amsterdam, 1969).

Affectiona E t 1oin V e 3R Ewt

Affectionately dedicated to all original researchers who pant fir endowment

Blow, blow your trumpets till they crack,Ye little men of little souls!

And bid them huddle at your back-Gold-sucking leeches, shoals on shoals!

Fill all the air with hungry wails-"Reward us, ere we think or write!"

Without your Gold mere Knowledge failsTo sate the swinish appetite!

And, where great Plato paced serene,Or Newton paused with wistful eye,

Rush to the chace with hoofs uncleanAnd Babel-clamour of the sty!

Be yours the pay: be theirs the praise:We will not rob them of their due,

Nor vex the ghosts of other daysBy naming them along with you.

They sought and found undying fame:They toiled not for reward nor thanks:

Their cheeks are hot with honest shameFor you, the modern mountebanks!

Who preach of Justice-plead with tearsThat Love and Mercy should abound-

While marking with complacent earsThe moaning of some tortured hound:

Who prate of Wisdom-nay, forbear,Lest Wisdom turn on you in wrath,

Trampling, with heel that will not spare,The vermin that beset her path!

Go, throng each other's drawing-rooms,Ye idols of a petty clique:

Strut your brief hour in borrowed plumes,And make your penny-trumpets squeak:

Deck your dull talk with pilfered shredsOf learning from a nobler time,

And oil each other's little headsWith mutual Flattery's golden slime:

And when the topmost height ye gain,And stand in Glory's ether clear,

And grasp the prize of all your pain-So many hundred pounds a year-

Then let Fame's banner be unfurled!Sing Paeans for a victory won!

Ye tapers, that would light the world,And cast a shadow on the Sun-

Who still shall pour His rays sublime,One crystal flood, from East to West,

When ye have burned your little timeAnd feebly flickered into rest!

Lewis Carroll

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