Etude spectrophotometrique de la serie jaune de Cu2O aux basses temperatures

J. Phys.

Chem. Solids

Pergamon Press 1961. Vol. 17, Nos. 314, pp. 292-300.

ETUDE SPECTROPHOTOMETRIQUE

Printed in Great Britain.

DE LA SERIE JAUNE

DE CuzO AUX BASSES TEMPERATURES S. NIKITINB, Laboratoire

de Spectroscopic

et d’optique

J. B. GRUN

et M. SIBSKIND

du Corps Solide, Institut de Physique, Universite (France) (Received

de Strasbourg

30 May 1960)

R6sum6-L’intensitt d’oscillateur des raies d’absorption de la serie “jaune” des cristaux de CusO a ete determinee experimentalement a differentes temperatures (77, 20 et 4OK) par une methode spectrophotometrique. L’intensite d’oscillateur de la premiere raie (n = 2) est fs = 2,s x 10-s; les intensites d’oscillateur relatives fo(n) = f n/f a n’ont pu etre calculks avec une precision suflisante i partir des donates experimentales que pour les premikres raies de la serie. La valeur de fi ainsi que l’intensite d’oscillateur relative dans la s6rie sont en bon accord avec la theorie d’ELLroT-r(l) des transitions excitoniques defendues. Cet argument joint aux autres arguments deja connus(1~s) permet d’afhrmer que la serie “jaune” de CusO appartient a un spectre excitonique defendu (spectre de deuxibme classe). On a montrd que le maximum du coefficient d’absorption Kmax d’une raie decroit avec le nombre quantique n suivant la loi Kmax CC l/n2 pour n 2 3. Ces raies ont une forme asymCtrique. On a introduit un parametre pour caracteriser cette propriete et on a BtudiC la variation de ce parametre avec n. La forme de la premiere raie (n = 2) differe beaucoup de la forme des autres raies de la serie. Les resultats de nos mesures montrent que la durde de vie des excitons croit avec n; ce resultat n’est pas inconsistant avec la thkorie de TOYOZAWA('~). Abstract-The “yellow” series of absorption lines in CuaO crystals has been studied by spectrophotometric methods at different temperatures down to liquid helium. The experimental values of the oscillator strength of the absorption lines have been determinated. The oscillator strength of the first lines (n = 2) is fa = 2.8 X IO+; the relative oscillator strength fo(n) = fn/f2 has been calculated from experimental data for different lines. fo(n) is however determined with a sufficient accuracy for the very first lines of the series only. Both the value of f2 and the relative oscillator strength in the series are in good agreement with ELLIOTT’&) theory of forbidden exciton transitions. These arguments added to others already known( is2) give a very solid basis to the interpretation of the “yellow” series of CusO as a forbidden exciton spectrum. It has been shown that the maximum of the coefficient of absorption in a line K,,, decreases with the quantum number n according to a law Oman cc l/n2 for n 2 3. The lines are of a very assymetric form. A parameter is introduced to characterize this property. The variation of this parameter with n is investigated. The form of the first line (n = 2) differs very much from the form of the other lines of the series. According to our data, the life time of excitons increases with n; this result is not inconsistent with TOYOZAWA'S theory.(12)

INTRODUCTION

donnees quantitatives ayant QC obtenues jusqu’a present sur les spectres en question, nous nous sommes proposes de reprendre l’etude de la serie “jaune” de CuaO pour &tre en mesure d’effectuer une comparaison quantitative de la theorie d’ELLroTT(r) des transitions excitoniques de deuxikme classe avec des donnees exptrimentales.

LES SPECTRES de raies d’absorption que l’on observe avec des cristaux de CusO ont CtP:attribues a des transitions de deuxieme classe (faiblement P(l*z). interdites) vers des &tats excitoniques cette attribution reposait sur des Toutefois, arguments qualitatifs ou semi quantitatifs. Peu de 292

ETUDE

SPECTROPHOTOMETRIQUE

Nous avons deja don& les premiers rtkultats de nos etudes dans une communication prksentCe au Congrks de Bologne. (s) Nous avons pu obtenir depuis un grand nombre de don&es nouvelles dont la comparaison avec la theorie fait l’objet de ce memoire. RAPPEL DE LA THEORIE DES SPFiCTRES EXCITONIQUFiS La thkorie d’ELLro’r’r prevoit deux classes de spectres excitoniques. Les transitions de premiere classe (4) correspondent a des spectres permis. Elles se pro-

DE

LA

SERIE

JAUNE

DE

CusO

293

n = 1 est interdite : Rt? vn = vcQ- ns

n = 2, 3, . . . co n # 1.

(lb)

Par ailleurs, le facteur f est don& par la formule :

c-2 ns-1

fm=-g7

C’s est une constante qui est difficile a calculer dans 1’Ctat actuel de la thdorie, mais dont on peut estimer l’ordre de grandeur. L’un de nous a montrC(s) que dans cette evaluation, on pouvait prtkiser que, dans les spectres de deuxieme duisent pour ?? = 0 et A?? = 0, oQ 2 est le classe, l’absorption devait &tre beaucoup plus vecteur d’onde et seules des transitions vers les faible que dans les spectres de premiere classe. Une Ctats excitoniques S sont permises. La thkorie evaluation grossiere a CtC faite et montre que le prhoit que les spectres de raies doivent hre rapport des facteurs f pour la raie fi = 1 dun hydrogeno’ides : spectre de premiere classe et pour la raie n = 2 d’un spectre de deuxieme classe est de l’ordre de V%= vQ)- avec n = 1,2, . . . Co (la) 10-3, en admettant que les deux spectres compares ns appartiennent a deux corps ayant des E du meme oti v,, est le nombre d’onde de la nieme raie, voo ordre. Or, l’absorption dans CusO est effectivement beaucoup plus faible que dans CuI, dont le celui de la limite de la serie, R, le nombre de spectre est un cas typique pour les transitions de Rydberg excitonique et n le nombre quantique. premiere classe. Cet argument, ainsi que le fait Par ailleurs, les intensites d’oscillateur des raies que les series de raies observ6es avec la de la serie varient comme : cuprite(5s6s7s), commencent avec la raie 12 = 2 (la raie n = 1 est Cgalement observable quelquefois, mais elle est tres faible. Elle est probablement observable dans des cristaux possedant de fortes tou Cl est une constante que l’on peut calculer a tensions,(s) ont conduit(r) et(s) a l’estimation priori dans certains cas et c la constante dique les spectres de la cuprite Ctaient dus a des &lectrique. L’ordre de grandeur de Ci peut Ctre transitions excitoniques de deuxieme classe.* prhu dans la plupart des cas. Mais, il est certain que des donnees quantitatives L’un de nous a montrW que la theorie de doivent hre apportees a I’appui de cette classificacette classe de transitions decrit, quelquefois tion. En effet, l’attribution des spectres d’autres jusque dans les details d’une facon remarquable, substances a la premiere classe aurait pu &re les spectres de certaines substances (CuI, CuCI, faite en se basant sur l’intensid de l’absorption HgIs, PbIs, etc.). car elle est tres grande. Ce fait &mine l’attribution Quand les transitions de premiere classe sont de ces spectres B des impuretes ou defauts Cventuels interdites, en raison de la structure des bandes (scdf). Dans le cas de la cuprite, cet argument klectroniques (Cl = 0), une deuxieme classe de n’est plus valable car I’intensite d’absorption est transitions peut Ctre prevue. Elle est faiblement de l’ordre de grandeur de celle que pourraient donner des impure& ou des defauts eventuels. interdite. Dans ce cas, AZ= O,z# 0 mais tres petit. On montre qu’alors, seules des transitions * L’effet Zeernan etudie par GROSS et al.(s) est &alevers des Ctats P excitoniques, sont permises. De ce ment une preuve de I’origine excitonique du spectre de fait, les raies de la sCrie obeissent encore a une la cuprite, mais ne donne pas d’indication directe quant 1oi hydrogenoide, mais la raie correspondant a h la nature de la transition excitonique.

fn= -g

294

S.

NIKITINE,

J.

B.

GRUN

et

M.

SIESKIND

de la formule suivante :

Ainsi, l’attribution des spectres de CusO, bien que plausible, n’etait pas demontree rigoureusement. Une etude quantitative approfondie Pam.3 done indispensable pour pouvoir statuer sur cette attribution.

(4)

COMPARAISON DES DONNEES BXPERIMENTALES AVEC LA THEORIB

11 est evident qu’un Clement essentiel de comparaison des don&es experimentales avec la theorie est obtenu en mesurant les valeurs expCrimentales feXP de l’intensid d’oscillateur des raies et en les comparant avec les valeurs thekiques

Dans cette formule, mu est la masse de l’electron au repos, c la vitesse de la lumikre, N le nombre d’atomes par unite de volume et e la charge de l’dlectron; n est l’indice de refraction du cristal et K le coefficient d’absorption defini par la formule: J = Jo(1- R)ge-Ks

(5)

oh x est 1’6paisseur du cristal, JO l’intensite de lumiere incidente et J l’intensid de la IumiCre

Monochromoteur “Zeiss”

Photomultiplicoteur”R.C.fi! (mesure de I’intensitd rdfkhie)

FIG. 1. Montage pour la mesure absolue des coefficients d’absorption

fth. Comme Cs ne peut pas &re calcule B priori avec prckision, la comparaison portera sur : (a) l’ordre de grandeur des fth que l’on peut &valuer et la valeur des fexp. (b) la variation de fexpavec TZ.

Nous avons, en plus, obtenu des donnees exptkimentales qui ne sont pas prevues par la thkorie dans son Ctat actuel. 11 serait important de developper la theorie dans ce sens. L’&aluationdef,,, peut Stre faite par differentes tnethodes. (2~9) Mais, seule la methode de KRAvwrz(rQ)est applicable a CuQO, la dispersion anormale n’etant pas observable avec ce corps, les raies &ant trop faibles. La mkthode de KRAWETz repose sur l’application

et de rkflexion.

transmise. Rest le coefficient de reflexion de CusO. On peut se contenter de cette for-mule approchee negligeant les termes correspondant aux interferences car la densite optique de nos Cchantillons dans cette partie du spectre est deja appreciable. n varie peu darts la region spectrale oti se trouve la serie jaune et peut hre consider6 avec une bonne p&&ion comme constant* et remplace par une valeur moyenne ii = 2,75. On peut alors tcrire la formule de KRAWETZsous une forme plus simple :

fexp = as * Ce

(6)

fait ressort avec certitude de nos exp&iences. Nous n’avons trouve ni dispersion anormale, ni anomalies du coefficient d’absorption au voisinage des raies. Ces deux faits sont concordants et sont dus B la circonstance que les raies d’absorption sont faibles.

ETUDE

SPECTROPHOTOMETRIQUE

DE

oh S = J K dv est l’integrale de la courbe d’absorption de la raie CtudiCe et a une constante. Comme, dans le cas de CusO, il y a par cellule Clementaire deux fois plus d’atomes de cuivre que d’oxygene et que l’on ne sait pas lequel de ces atomes est responsable de l’absorption, il est preferable de definir f par cellule &men&e et non par atome. Dans ce cas, pour CusO, on a : f,‘:,

= 2,4x

10-l”S

(7)

Le probleme consiste done finalement d Cvaluer S. MONTAGE

EXPERIMENTAL

Le montage experimental* comportait (Fig. 1) une source S qui Ctait une lampe a filament de tungstene alimentee au moyen d’une batterie d’accumulateurs, qui permettait d’obtenir un courant constant et une brillance constante. La constance du courant etait contrSlCe par enregistrement durant toute la mesure. L’image de S etait projetee sur la fente d’entree d’un monochromateur a trois prismes Zeiss dont la bande passante Ctait 0,s A dans la region spectrale consider& Pour mesurer les intensites transmises et rCflCchies par l’echantillon, l’image de la fente de sortie du monochromateur etait projetee sur l’echantillon au moyen d’une lentille 4. Cet echantillon Ctait legerement incline par rapport a l’axe du montage, de facon B envoyer le faisceau reflechi au moyen d’une lentille Lz sur un premier photomultiplicateur PI. Le faisceau transmis dans l’axe du montage Ctait envoy6 au moyen d’une autre lentille Ls sur un deuxieme photomultiplicateur P2. Pour mesurer l’intensid de la lumiere incidente JO au moyen des deux photomultiplicateurs PI et P2, on deplacait le cryostat verticalement dans deux positions diffkntes, de facon a : (a) faire passer la lumiere directement sans traverser le cristal; (b) faire tomber la lumiere incidente miroir argente qui la reflechissait sur PI.

sur

Pz

sur un

La coefficient de reflection du miroir avait ettc mesure prealablement, ce qui permettait de tenir compte de son pouvoir reflecteur. * Nous remeroions M. BIELLMANN pour son aide au tours du montage de oette installation spectrophotomkrique.

LA

SERIE

JAUNE

DE Cur0

295

La source S ayant une intensid rigoureusement ccnstante, on mesurait d’abord l’intensite incidente pour un grand nombre de longueurs d’onde avec PI et Pz. On remettait ensuite en place le cristal et on determinait, au moyen de Pl et Pz, l’intensid transmise et r&chie par le cristal pour les m6mes longueurs d’onde que precedemment. Apt-b cette deuxieme serie de mesures, on reprenait quelques points dans les m&mes conditions que lors de la premiere serie de mesures, pour s’assurer que I’intensite de S n’avait pas change pendant les mesures. Le courant passant par S Ctait d’ailleurs contrble par enregistrement. Les photomultiplicateurs PI et Ps Ctaient du type R.C.A. I.P. 21 S4. Le courant, B la sortie, etait mesure avec des galvanometres A.O.I.P. sensibles a lo-sA sans amplification. On peut estimer qu’avec les precautions prises, les erreurs commises dans les mesures photometriques etaient de l’ordre de f 2 pour cent. Alors que l’epaisseur de cristaux de CuI et PbIs pour la mesure de f doit 6tre de l’ordre de quelques dixiemes de micron, dans le cas de CusO, par suite de la faible absorption, nous avons pu utiliser des lames cristallines de 10 P 20 p. L’epaisseur de ces lames a et6 mesuree B l’aide d’un palmer permettant d’evaluer le demi-micron. Mais, cette Cpaisseur Ctait legerement variable d’un point a un autre d’un Cchantillon; il en rCsultait une incertitude de l’ordre du micron. On peut finalement estimer que K etait determine ?i _+ 5 pour cent prb. La precision Ctait un peu moins bonne sur les sommets des raies d’absorption. DESCIUPTION

QUALITATIVE D’ABSORPTION

DU

SPECTRE

Les Figs. 2(a) et (b) repksentent la courbe d’absorptiont d’un Cchantillon de 10 p d’epaisseur dans la region de la serie “jaune” pour T = 4,2”K. Avant den tirer des don&es quantitatives, quelques remarques g&kales sont necessaires. En premier lieu, il faut noter que I’absorption dans les raies de la serie jaune se superpose a un fond continu qui commence a devenir important

t Le fond continu se trouvant du c8tC des grandes longueurs d’onde au-de& des deux bords rouges est probablement dQa une imprecision dam la determination de R, la reflexion pouvant cornporter une petite part de r6flexion diffise.

296

S.

NIKITINE,

J.

B.

GRUN

dans le rouge B partir des deux bords. Ce fond continu a fait l’objet d’une tkude approfondie qui sera le sujet d’une prochaine publication. 11 resulte de cette ktude qu’il est legitime de considerer ce fond continu comme &ant independant de l’absorption dans les raies de la serie. 11 est

u,

cm-'

(4

17000

r7100

17200

17300 u,

17400

l75W

cm-’

@I

FIG. 2 (a) Courbe d’absorption d’un Cchantillon de CusO de 10 ~1 d’hpaisseur B 4,2’K. (b) Courbe d’absorption d’un &_&xntillon de CusO de 10 p d’epaisseur B 4,2”K (sCrie jaune).

done rkessaire de soustraire de l’absorption totale dans la region spectrale oh se trouve la s&k, l’absorption du fond continu etudi& par ailleurs. On peut observer que la forme de raie n = 2 est trks diffkente de la forme des autres raies de la serie. Elle est beaucoup plus large et beaucoup plus dissymetrique. 11 est ensuite remarquable que toutes les raies soient dissymkriques, mais qu’elles deviennent de moins en moins dissymetriques quand n crok Les raies deviennent egalement beaucoup plus fines quand n croft. La serie converge vers un bord qui forme une transition continue avec une courbe d’absorption croissante. Dans toute cette region spectrale, le coefficient d’absorption K est de l’ordre de 2 a 5 x 10s cm.

et

M.

SIESKIND

EV~UA~ON TEURf,,,

DES 1-m if’-A PAIWIR DE LA COURBE D’ABSOIWTXON

Pour &valuer l’absorption integrale S dans les raies, nous avons soustrait de l’absorption dans le spectre, le fond continu, Ctudie dans un travail B paraitre. 11 rksulte de cette etude que le coefficient d’absorption dans le fond continu varie t&s exactement comme (v-v#/s oh vs est le nombre d’onde du bord limitant cette absorption dans le rouge (ceci est rigoureux a la temperature de 1’He liquide. A haute temperature, il y a en fait superposition de deux spectres continus de m&me nature, mais d&al& Pun par rapport 8 l’autre. Les deux spectres peuvent &re d’ailleurs d&its par la theorie d’ELLIo&l)). II est alors possible d’extrapoler la formule trouvee pour cette par-tie de la courbe d’absorption dans le fond continu, jusque vers la serie jaune. La soustraction ne prkente done pas un caracdre arbitraire, tout au moins au debut de la sCrie jaune. Par ailleurs, ce spectre continu doit se raccorder au spectre continu que l’on observe, du c&J des grandes frequences, au-dela de la serie jaune. La theorie ne donne aucune indication quant au raccord de ces deux spectres. Devant cette incertitude, nous avons raccorde B l’estime (Fig. 2) les deux spectres continus suivant deux traces (I) et (II). Nous avons soustrait ensuite cette absorption continue (I) et (II) de l’absorption totale et obtenu ainsi deux traces de l’absorption dans les r&es. Pour les courbes obtenues i 4,2”K, ces differents traces n’influent pratiquement pas sur la valeur de l’integrale S des raies 7t = 2 et 12 = 3 ; mais le calcul de S devient hasardeux g cause de la difference entre les deux traces pour les raies de nombre quantique n > 3. On ne peut donner alors que des ordres de grandeur pour ces raies. Pour la temperature de l’azote liquide, le calcul de S est deja incertain pour n = 3, mais reste raisonnablement precis pour n = 2. Pour la temperature de l’hydrogkne liquide. l’incertitude sur les valeurs de S est intermediaire. A partir des valeurs de S ainsi obtenues, nous avons calcule les intensites d’oscillateur des differentes raies B differentes temperatures et pour les deux tracb (I) et (II). Nous avons group&, dans le Tableau 1, les resultats obtenus avec un m&me Cchantillon. Ces mesures ont Cd reprises pour differents

ETUDE

SPECTROPHOTOMETRIQUE

Tableau 1. Intens&

n

f(I)los

LA

SERIE

JAUNE

DE

297

Cm0

d’oscillatew des r&s de la skrie jaune de CuzO pour les track (I) et (II), aux tempbratures de Z’He, Z’Hs et Nz liquides. T = 77OK

T = 20’K

T=4’K

-------I------~

DE

fo(I,(n) f(Ir)los fops(n)

f(I,lOs

fO(I)(?z) f(II)los fop)(n)

fop)(n) fw106

f(I,los

fodn)

thk.

~--_~--

-~---~~

fob)

2,8

1

2,8

1

3,3

1

2,8

1

3,l

1

1

3 190 0,36 __________~~_

1,4

0,s

1,0

0,36

2,2

0,67

1,O

0,36 -~--

2,8

0,9

0,34

4 0,3 0,ll _--______---___-_--_

0,8

0,29

0,3

0,ll

1,o

0,30

0,9

0,29

0,14

0,3

0,ll

0,15

0,05

0,4

0,12

-

-

0,08

2 2,8 ------~~--~---

5

0,l

1

0,04

Cchantillons. On en deduit des valeurs concordames des facteurs f B 3 pour cent p&s, tout au moins pour les premieres raies, L’incertitude sur les raies n > 3 provient uniquement de l’incertitude sur le trace du fond continu. Le Tableau 2

-I 0,3

0,ll

-

-

Malheureusement, la constante C’s de la formule (3) ne peut Ctre calculee avec precision. A priori, on ne peut en donner qu’un ordre de grandeur. Nous nous contenterons de comparer la valeur de fz de CusO a celle de fl de CuI, qui presente un

Tableau 2. Comparakm des intemitb d’oscillateur de trois khantillons d’epaisseurs dz@!rentes pour les raks n = 2 et n = 3 h la tempkrature de Z’He liquide. Echantillon 1,e = 10 p ?l

f(I,lO”

2

2,8

3

120

f(II)loe

Echantdlon 2,e = 12 p

_-

-

F)lO’

f(I)106

f(II)lOB

f(I,l@

f(n)106

298

2,9

2,9

296

296

2,8 + 6%

2,8 + 6%

194

151

1,6

089

1,3

1,o + 10%

1,4 + 10%

donne cette comparaison pour les deux premieres raies de la serie, a la temperature de 1’He liquide. Comme le montre le Tableau 1, la valeur de f pour une raie don&e ne varie pas beaucoup avec la temperature. COMPARAISON

Echantillon 3, e = 14 p

DE!3 VALEURS LA THEORIE

DE fexp AVEC

11 est important de comparer les valeurs de facteurs f ainsi dCterminCs avec la theorie d’ELLrorW des transitions vers des &tats excitoniques. Nous avons dit que le spectre de CusO a et6 compare a un spectre de deuxieme classe (faiblement interdit) prevu par la theorie ~‘ELLIOTT.

f(I)lO”

spectre de premiere classe. Le rapport des valeurs experimentales fiexp(Cu20)

=

0,7x lo-4

flexr@I>

est bien de l’ordre de grandeur prevu dans un calcul trks approximatif.*c2) La comparaison quantitative ne peut &tre me&e plus loin, tant que le calcul a priori de Cs ne sera pas effect&. Mais on peut conduire nearunoins la comparaison plus loin en etudiant les intensit&s reLa theorie prevoit que ce rapport latives (fn/f2)exp. * Notons que fsexp(CuzO)etfIexp(CuI) ont CtC&aluQ. par cellule blkmentaire.

298

S.

(Cs restant constant) est

:

fn f&) = - =

NIKITINE,

10,6x

f2

J.

B.

GRUN

et

M.

SIESKIND

def, et un element quantitatif : valeur de fo(n),, en faveur de l’interpretation de la serie jaune de la cuprite et son attribution a des transitions excitoniques de deuxieme classe. En ajoutant ces arguments nouveaux a ceux qui avaient Cd don& preddemment, il nous semble qu’il reste peu de doutes en ce qui conceme cette interpretation.

n2-1 n5

La comparaison ne peut hre faite avec precision que pour n = 3 et ti la temperature de l’helium, par suite de l’incertitude du trace du fond continu. Mais, pour la raie n = 3, l’accord avec la theorie est bon (+ 15 pour cent environ), comme l’indiquent les valeurs donrkes dans le Tableau 1. Comme il n’etait pas possible de conclure pour les raies de nombre quantique n > 3, nous avons tent6 de faire le raisonnement inverse. Nous

VALEURS DU COEFFICIENT D’ABSORPTION MAXIMUM Kmax DES RAIES DE LA SEllIE JAUNE Les valeurs de Kmax du coefficient d’absorption maximum des raies sont naturellement Cgalement affect&espar l’incertitude du trace du fond continu.

cm-'

u,

FIG. 3. Profiles de raies de la sbrie jaune de Cue0 aux trach I et II.

avons suppose que la formule (3) s’appliquait a la serie jaune et nous avons construit, a partir des valeurs de f donnees par cette formule, le fond continu qu’il faudrait soustraire pour obtenir un tel rbultat. Ce fond continu (III) est port6 sur la Fig. 3. On voit qu’il n’est pas inconsistant avec la courbe experimentale. Nous crayons que cette discussion a apporte un Clement qualitatif nouveau : ordre de grandeur

Tableau 3. Coe@ients

Kp;j’lO-s

Malgre cette incertitude, on peut noter que KmsX diminue lorsque le nombre quantique n augmente. I1 semble que cette variation soit, pour les raies correspondant an > 3, assez voisine de Km,,= cc l/G. Cette variation ne s’applique pas a la raie n = 2, qui est tres large et dont la valeur de KmBX est aberrante. Ces valeurs sont don&es dans le Tableau 3 pour les deux traces (I) et (II) et pour differentes temperatures, mais pour le m&me

maxim d’absorption en cm- 1 de la she jaune de CusO pour les tracks (I) et (II) aux tempt?ratures de Z’He, Z’Hs et Nz liquides. T=4”K

n

correspondant

T = 20’K q;j10-s

qrp10-s

T = 77’K qgo-s

qp10-s

qYO-2

2

198

128

1,8

199

230

2,2

3

2,4

2,8

2,l

~$9

138

2,8

4

193

2,O

131

1,9

1,O

1,7

5

0,6

1,4

096

1,l

-

-

ETUDE

SPECTROPHOTOMETRIQUE

DE

bhantillon. 11 ne parait pas possible de conclure au sujet de la variation thermique de KmsX. LARGIWR

ET

DISSYMR’IRIE

DES

RAIJIS

Comme nous l’avons dit, les raies de la s&e jaune de la cuprite sont trb dissymetriques. Pour caracteriser cette dissyn-ktre, nous avons mesure, a partir de l’abscisse du maximum de chaque raie, une demi-largeur vers les grandes valeurs de Y: Av+lls, et une demi-largeur vers les petites valeurs de v : Av-11s. Nous suggerons de prendre, pour parametre exprimant la dissymetrie d’une raie, la quantite : 6

An/z

- AV+IJZ

= Av-i/2 + Av+l/2 6 = 1 pour une raie completement dissymetrique (Av+l/s = 0 par exemple), 8 = 0 pour une raie symt%rique(Av-11s F Av+&. 11 est facile de voir que la dissymetrie des raies diminue quand le nombre quantique des raies augmente dans la serie. Par ailleurs, 2&/s = Av+l,s+ Av-11sdiminue Cgalement lorsque le nombre quantique augmente.

LA

SERIE

JAUNE

DE

Les valeurs de &s dependent beaucoup du trace du fond continu. 11 est assex difhcile de se prononcer sur la loi suivant laquelle cette decroissance se produit. Notons que si l’on admet la formule d’Ewro-rr sur la variation de f dans la s&ie et la validite de 1~ loi Kmaxcc l/n2 pour n > 3, la variation de Avl/s devrait hre de la forme : G-1 pour n > 3 Awz cc ns en supposant f proportionnel au produit K max x 2Aw2. 11 est ii noter que si l’on admet la relation classique entre la dunk de vie et la demi largeur de la raie, on devrait conclure que les excitons de nombre quantique Cleve sont plus stables que les excitons de nombre quantique faible, malgre les valeurs en sens contraire des energies de liaison.* * Le Prof. Yoccoz a pu montrcr, a partir de la th6orie de TOYOWWA, que la largeur des raies devrait dkcroitre comme l/ns quand la masse totale de l’exciton est grande et qu’elle serait constante quand la masse de l’exciton est faible. Nos valeurs correspondraient a un cas intermkliaire.

Tableau 4. Demi-largeur (en cm-l) des raies de la st+k jaune de CuaO aux temphatures Z’Hs et Ns liqwikspour ks tracks (I) et (II). Track. (I) n

G/s

299

CusO

de We,

Trace (II)

AV-lls

6

AV+l/s

&/s

Alrijs

Av+l/a

8

20

10

0,33

y 2

1.5

20

10

0,33

15

3

5,s

7

4

0,25

635

8

5

0,25

4

4

4

4

0

6,s

8

5

0,23

5

3

3

3

0

6

8

4

0,33

2

15

22

8

0,45

16,s

24

9

0,45

3

5,s

7

4

0,25

12,5

17

8

0,36

4

5

5

5

0

10

14

6

084

2

18,s

2.5

12

0,35

22,s

30

15

0,33

3

7

8

6

0,14

12

16

8

0,33

4

4

4

4

0

8

10

6

0,25

T=4“K

T = 20°K

T = 77OK

300

S.

NIKITINE,

J.

B.

GRUN

Les donnCes concernant la largeur des raies sont rtkmies dans le Tableau 4. I1 y a lieu de noter que les formules empiriques suggMes sont affect&s par l’incertitude du track du fond continu. Elles sont des approximations gross&-es.

et

M.

SIESKIND

Remercknents-Nous remercions vivement le Dr. ELLIOTT(Oxford) pour la communication des rksultats de ses 6tudes thkoriques avant leur publication et pour de nombreuses discussions importantes. Nous remercions Qalement le Prof Yoccoz (Strasbourg) pour des discussions stimulantes sur les questions thioriques concernant nos travaux.

CONCLUSIONS

Cette Ctude nous a permis de dkterminer les valeurs expdrimentales des intensitb d’oscillateur des raies de la sCrie jaune de CusO. Cette dCtermination a 6th faite avec une bonne precision pour la raie n = 2 et une assez bonne prkcision pour la raie n = 3 ; pour les raies de nombre quantique plus ClevC, nous n’avons pu que ddterminer un ordre de grandeur des intensitb d’oscillateur. L’ordre de grandeur de I’intensitd d’oscillateur fi pour 12 = 2 est celui que l’on peut prdvoir pour des transitions de deuxikme classe. Le rapport fo(3) = f3/fz est en bon accord avec la formule ~‘ELLIOTT pour ce genre de transitions. Ces don&es apportent des arguments nouveaux en faveur de l’interprktation des raies de la sCrie jaune comme transitions de deuxikme classe. De ce fait, cette attribution ne parait plus &tre mise en doute. Par ailleurs, nous avons montrC que la forme de la raie n = 2 est trks diffkente de celle des autres raies, comme si cette raie Ctait de nature diffdrente. Les valeurs de K,,, dkcroissent dans la sCrie suivant une loi qui est assez voisine de l/G. Les raies sont t&s dissymCtriques, mais la dissyn-ktrie diminue quand n augmente. Par ailleurs, la largeur des raies diminue quand R augmente. Ceci indiquerait une plus grande duke de vie des excitons. Sur I’orbite de nombre quantique n = 2 ?i 4°K elle est 7 N 1,8 X lo-13sec. Ces dernikres don&es ne sont pas prkues par la thdorie. I1 serait souhaitable que celle-ci soit dkvelopp6e dans ce sens.

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