Variations énergétiques de l’absorption optique du lanthane et du praséodyme pris en couches...
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Variations energetiques de I'absorption optique du lanthane et du praseodyme pris en couches minces G. Derbez et J. P. Petrakian Under static ultrahigh vacuum (10-9 torr), we have studied the optical properties of lanthanum and praseodymium thin films. It is shown that these films behave similarly in the 2000-8000 A spectral range. Results are identical for other light rare-earth thin films. We suggest that indirect transitions are responsible for the presence of a maximum in the optical absorption near 5,8 eV. Introduction L'un de nous a montr rcemment'" 2 qu'il existe une modification des proprietes optiques des metaux des lanthanides lorsqu'on passe de la serie des terres rares lourdes la srie des terres rares lgeres. Cette disparite s'observe seulement dans la region spectrale visible et senible due au changement de structure cristalline qui caracterise les elements de ces deux sries. Par contre, toutes les terres rares etudiees presentent un comportement optique analogue dans la region spectrale ultraviolette, les anomalies rencontrees dans ce domaine pouvant etre dues des mecanismes faisant intervenir les etats 4 f. Afin de completer cette etude et dans le but de vrifier cette hypothese, nous avons etudie les proprietes optiques de deux terres rares lgeres supplementaires: le lanthane et le praseodyme. Resultats experimentaux Lanthane La tres grande oxydabilite de cet lement explique le peu d'informations que l'on trouve a son sujet. 3 A l'aide d'une technique experimentale decrite ailleurs, 4 nous avons etudie, sous un ultra- vide statique voisin de 10-9 torr, les proprietes optiques de cinq couches minces de lanthane deposees sur des supports de quartz. Ces couches notees Li, L 2 , L3, L 4 , L 5 avaient des epaisseurs respectives voisines de d = 30 A, d 2 = 40 A, d 3 = 140 A, d 4 = 210 A et d 5 = 270 A. Les figures 1 et 2 traduisent The authors are with the Departement de Physique des Inter- actions Photons-Matiere, Centre d'Etude des Couches Minces, Universit6 de Provence, 13331 Marseille Cedex 3, France. Received 18 June 1973. respectivement les variations spectrales des facteurs de transmission et de rflexion. Celles-ci sont analogues a celles que nous avons observees pour des couches minces de crium. 1 En particulier, le facteur de rflexion R ne presente un aspect "com- pl6mentaire" du facteur de transmission T que pour les couches les plus minces L et L 2 . Pour des epaisseurs croissantes, on constate que R et T varient dans le meme sens. I faut souligner que cette in- version du sens de variation du facteur de rflexion est inexistante pour les terres rares les plus lourdes et qu'elle semble caracteriser les lements de la serie des terres rares lgeres. Ces divers rsultats permettent de calculer l'absorption optique 2 nkd/\ de dep6ts minces de lanthane (n et k tant les constantes optiques de ce dernier) et d'en tracer les variations energetiques qui sont representees par la figure 3. Au voisinage de 5,8 eV on note un maxi- mum d'absorption dont la position depend peu de l'epaisseur des dep6ts, alors que son amplitude rela- tive croit avec cette derniere. Ceci semblerait indiquer que les couches minces de lanthane presen- tent, ds leur formation, des caracteristiques voisines de celles de l'etat massif que l'on n'a pu etudier directement jusqu'ici pour les raisons enoncees ci-dessus. Pras6odyme Les couches minces de praseodyme ont te preparees et etudiees dans les memes conditions que les couches de lanthane. Les figures 4, 5, et 6 traduisent 'ensemble des rsultats obtenus. Les conclusions noncees pour les couches minces de lanthane peuvent tre reprises systematiquement. En particulier, le facteur de transmission T presente un minimum marqu6 dont l'abscisse, a 2150 A, est independante de l'epaisseur des dp6ts. Lorsque cette derniere croit et ds que T devient inferieur a March 1974 / Vol. 13, No. 3 / APPLIED OPTICS 599
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Variations energetiques de I'absorption optiquedu lanthane et du praseodyme pris en couchesminces
G. Derbez et J. P. Petrakian
Under static ultrahigh vacuum (10-9 torr), we have studied the optical properties of lanthanum andpraseodymium thin films. It is shown that these films behave similarly in the 2000-8000 A spectralrange. Results are identical for other light rare-earth thin films. We suggest that indirect transitionsare responsible for the presence of a maximum in the optical absorption near 5,8 eV.
Introduction
L'un de nous a montr rcemment'" 2 qu'il existeune modification des proprietes optiques des metauxdes lanthanides lorsqu'on passe de la serie des terresrares lourdes la srie des terres rares lgeres.Cette disparite s'observe seulement dans la regionspectrale visible et senible due au changement destructure cristalline qui caracterise les elements deces deux sries. Par contre, toutes les terres raresetudiees presentent un comportement optiqueanalogue dans la region spectrale ultraviolette, lesanomalies rencontrees dans ce domaine pouvantetre dues des mecanismes faisant intervenir lesetats 4 f. Afin de completer cette etude et dans lebut de vrifier cette hypothese, nous avons etudieles proprietes optiques de deux terres rares lgeressupplementaires: le lanthane et le praseodyme.
Resultats experimentaux
Lanthane
La tres grande oxydabilite de cet lementexplique le peu d'informations que l'on trouve a sonsujet.3 A l'aide d'une technique experimentaledecrite ailleurs,4 nous avons etudie, sous un ultra-vide statique voisin de 10-9 torr, les proprietesoptiques de cinq couches minces de lanthane deposeessur des supports de quartz. Ces couches noteesLi, L2, L3, L4, L5 avaient des epaisseurs respectivesvoisines de d = 30 A, d2 = 40 A, d3 = 140 A, d4 =
210 A et d5 = 270 A. Les figures 1 et 2 traduisent
The authors are with the Departement de Physique des Inter-actions Photons-Matiere, Centre d'Etude des Couches Minces,Universit6 de Provence, 13331 Marseille Cedex 3, France.
Received 18 June 1973.
respectivement les variations spectrales desfacteurs de transmission et de rflexion. Celles-cisont analogues a celles que nous avons observees pourdes couches minces de crium. 1 En particulier, lefacteur de rflexion R ne presente un aspect "com-pl6mentaire" du facteur de transmission T que pourles couches les plus minces L et L2. Pour desepaisseurs croissantes, on constate que R et T varientdans le meme sens. I faut souligner que cette in-version du sens de variation du facteur de rflexionest inexistante pour les terres rares les plus lourdes etqu'elle semble caracteriser les lements de laserie des terres rares lgeres. Ces divers rsultatspermettent de calculer l'absorption optique 2 nkd/\de dep6ts minces de lanthane (n et k tant lesconstantes optiques de ce dernier) et d'en tracer lesvariations energetiques qui sont representees par lafigure 3. Au voisinage de 5,8 eV on note un maxi-mum d'absorption dont la position depend peu del'epaisseur des dep6ts, alors que son amplitude rela-tive croit avec cette derniere. Ceci sembleraitindiquer que les couches minces de lanthane presen-tent, ds leur formation, des caracteristiquesvoisines de celles de l'etat massif que l'on n'a puetudier directement jusqu'ici pour les raisonsenoncees ci-dessus.
Pras6odyme
Les couches minces de praseodyme ont tepreparees et etudiees dans les memes conditions queles couches de lanthane. Les figures 4, 5, et 6traduisent 'ensemble des rsultats obtenus. Lesconclusions noncees pour les couches minces delanthane peuvent tre reprises systematiquement.En particulier, le facteur de transmission T presenteun minimum marqu6 dont l'abscisse, a 2150 A, estindependante de l'epaisseur des dp6ts. Lorsquecette derniere croit et ds que T devient inferieur a
March 1974 / Vol. 13, No. 3 / APPLIED OPTICS 599
L
L 2
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2nkd 102
Li, L2,L3.L4.
2nkd 102
L5
L 5
L 4
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L 2L
~240
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1 2 3 4 S 7 E en eV
2000 4000 6000 8000 en4AFig. 3. Variations desminces de lanthane en
Fig. 1. Variations spectrales des facteurs de transmission de cinqcouches minces de lanthane d'epaisseurs croissantes.
absorptionsfonction de
incident.
optiques de cinq couchesl'6nergie du rayonnement
R%
L 5
L420-
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L 3
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L2L1
X en A
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2000 4000 6000 8000
60-Fig. 2. Variations spectrales des facteurs de rflexion de cinqcouches minces de lanthane.
50-
60%, le facteur de rflexion R passe par une suited'etats intermediaires avant de presenter unphenombne d'inversion analogue celui que l'onrencontre pour le lanthane. Ces variations conju-guees de T et R se traduisent sur la courbe donnantles variations energetiques de l'absorption optique,par le presence d'un pic dont les caracteristiquesdependent peu de l'epaisseur des dp6ts. Sonabscisse reste voisine de 5,8 eV tandis que son ampli-tude relative croit avec l'importance du dep6t. Lalargeur des courbes mi-hauteur demeure approxi-mativement egale 1,75 eV lorsque l'on s'approchedu metal massif. En outre, pour les etats inter-m6diaires conduisant l'inversion du facteur dereflexion, un maximum de tres faible amplitude
40-
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i T I
I
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P 1
P 2
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2000 4000 6000 8000 X en A
Fig. 4. Variations spectrales des factours do transmission de cinqcouches minces de pras6odyme.
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L 3
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2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 X en A
Fig. 5. Variations spectrales des facteurs de rflexion de cinqcouches minces de praseodyme.
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! 2kd.102
P1 P2,P3.P4
2nh1d 102
P5
P4
P3
P5
P2
P1
20-
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1 2 3 4 5 6
-240
-220
-200
-180
-160
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-120
sion du sens de variation spectrale du facteur dereflexion lorsque l'6paisseur des couches croit. Cephenomene ne se rencontre pas avec les terres rareslourdes et semble caracteristique des terres rareslegeres. Par contre, on constate que toutes les terresrares presentent une bande d'absorption dont la posi-tion a 5,7 eV depend peu de l'epaisseur des dp6tsalors que son amplitude croit avec elle. A ce titre,il semblerait que ce phenomene soit ind6pendant dela structure cristalline qui caracterise les deux sriesde terres rares, et ne puisse pas etre interprete a l'aidede la theorie des transitions directes entre les bandesd'6nergie.5 En effet, cette th6orie n'est pas applic-able pour les niveaux 4 f dont l'excitation met en jeudes nergies importantes et peut donner lieu desphenomenes optiques situes dans la rgion spectraleultraviolette. Ainsi, on pourrait interpreter lapresence d'un pic d'absorption a 5,7 eV comme duea une transition indirecte. I est cependant difficilede v6rifier cette hypothese directement pour lelanthane et le praseodyme. En effet, tres peu detravaux theoriques ont e effectues sur les structuresde bandes de ces deux 6lments. 6 7 Ils indiquentque, pour une meme phase, ces structures sont sim-ilaires6 avec toutefois une localisation probable desniveaux 4 f au-dessus et au-dessous du niveau deFermi, respectivement, pour le lanthane et lepraseodyme.7 Pour pallier cette imprecision, ilfaut avoir recours au fait que le lanthane et lepraseodyme ont, dans ce domaine energetique, uncomportement optique analogue a celui de toutes lesautres terres rares et en particulier celui dugadolinium pour lequel on possede des donneestheoriques supplementaires.8 5 9 Celles-ci situent labande 4 f de largeur 0,05 eV8 a 5,8 eV au-dessous duniveau de Fermi, 9 ce qui renforce l'hypothese at-tribuant l'anomalie observee dans la region spectraleultraviolette une transition indirecte entre lesniveaux 4 f et le niveau de Fermi.
-100
-80
-60
7 Een eV
Fig. 6. Variations nerg6tiques des absorptions optiques de cinqcouches minces de praseodyme.
apparait entre 2 et 3 eV. I disparait pour des dp6tsmassifs, R et T suivant alors deux lois de variationsspectrales similaires.
Conclusion
Les rsultats precedents permettent de dgagerquelques conclusions interessantes. Le lanthane etle praseodyme presentent un comportement optiqueanalogue a celui d'autres terres rares legeres telles quele crium.1 En particulier, on observe une inver-
References
1. J. P. P6trakian, J. Opt. Soc. Am. 62, 401 (1972).2. J. P. P6trakian, These d'6tat n'A07197, Marseille (1972).3. H. M. O'Bryan, J. Opt. Soc. Am. 26, 122 (1936).4. J. P. Ptrakian and J. P. Palmari, Thin Solid Films, 4, 423
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Properties and Electronic Structure of Metals and Alloys, F.Abeles, Ed. (North-Holland Pub. Co., Amsterdam, 1966), p.237.
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