Proprietes optiques de couches minces de fluorure de potassium dans l'ultraviolet extreme

Solid State Communications, Vol. 5, pp. 883-886, 1967. Pergamon Press Ltd. Printed in Great Britain

PROPRIETES OPTIQUES DE COUCHES MINCES DE FLUORURE DE POTASSIUM DANS L’ULTRAVIOLET EXTREME G. Stephan et S. Robin Laboratoire de Spectroscopie, Faculté des Sciences de Rennes (35), France (Received 22 September 1967 by P. G. de Gennes)

On determine, a partir de mesures de pouvoirs réflecteurs, les constantes optiques de couches minces de fluorure de potassium evaporées in situ. Les résultats sont donnés pour le domaine spectral 12, 7 a 60 eV et montrent la présence de nombreuses transitions et d’une oscillation collective. Us sont compares avec ceux d’autres auteurs concernant le pouvoir réflecteur, l’absorption, l’effet photoémissif et les pertes d’énergie caracteristiques des electrons.

LES HALOGENURES alcalins sont l’objet de nombreuses etudes experimentales ou theoriques dans le domaine de leur constitution électronique. Les premieres montrent 1’abondance des discontinuités dans les densités d’etat combinées des différentes bandes du cristal mais sont limitées supérieurement a 20 eV environ. Nous avons entrepris 1’ étude optique du fluorure de potassium de 1000 a 200 A (12,4 a 62 eV) afin de completer les mesures existantes 6vers les grandes a déterminé les energies, conJusqu’à 20 eV Roessler stantes optiques ft partir de mesures de pouvoir réflecteur d’un monocristal dive dans Pair, Duckett et Metzger2 et Metzger3 ont mesuré le pouvoir photoémissif et le coefficient d’absorption de couches minces; d’autres auteurs7 8 ont mesuré les pertes caractéristiques d’ênergie des electrons rapides.

d’incidence, soit 20, 45, 60 et ‘70°. Les constantes optiques sont alors calculées a l’aide d’abaques ou de tables numériques. La precision est de l’ordre de 5%. La Fig. 1 montre le pouvoir réflecteur ramené a la lumière naturelle d’une couche de 1700 A d’ épaisseur, pour les incidences de 20 et 70° entre 200 et 985 A. Jusqu’a 30 eV (410 A) environ, onftconstate l’existence deLe nombreuses transitions foz~tesprobabilités. pouvoir réflecteur en incidence normale devient ensuite trop faible pour ètre mesuré avec precision. On note ft 390 A (31,8 eV) un pie de réflexion ft 70° d’incidence ne correspondant ft aucun plc a mcidence de 20°. Un phénomène identique est caractéristique des modes L. 0. dans l’infrarouge lointain pour les cristaux ioniques en particulier. 10 C’est pourquoi cece nous semble également caractenser l’onde optique longitudinale d’origine collective, c’est-ft-dire le plasmon.

Le f luorure de potassium étant extremement hygroscopique, les couches doivent nécessairement ètre étudiées dans l’enceinte même de leur formation. Nous avons évaporé de la poudre a partir de creusets de tungstène a des vitesses de l’ordre de 100 A/s. La temperature du support (disque de pyrex, ou mica fraichement dive) est de 300°C. Selon une technique déjft décrite9, les pouvoirs réflecteurs sont mesurés pour les deux positions perpendiculaires du plan d’incidence et pour quatre valeurs de l’angle

Nous avons represente sur la Fig. 2 les parties réelle c~ et imaginaire 2 de la constante dielectrique, et sur la Fig. 3 la fonction Im(e’~) proportionnelle aux pertes d’énergie des electrons dans les solides. Le Tableau 1 rassemble Pensemble des résultats expérimentaux. -

Ii a été montré que, pour le fluorure de 883

884

PROPRIETES OPTIQUES DE COUCHES

__

I

___ ___ ___

‘, —H—i

KF

44 R7C

7’ 200

KF 1,5

~

~ 400

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600

FIG

800

ioco

FIG. 2

1

Partie réelle et partiediélecimaginaire (2) de (ci) la constante

Pouvoir réflecteur d’une couche de KF de 1700 A d’epaisseur en lumière naturelle pour leF i:~i dences de 20 et 70°(R~j’ et R~o).

trique.

-________

________

________

________

________

Im~’ KF

potassium, le premier maximum d’ absorption est dil aux excitons r ft 10’ et l’épaulement correspondant ft la premiere transition interbande r15 — F, se trouve ft 11 eV. Entre 12,6 et 20 eV, les discontinuttés suivantes proviennent des transitions des electrons de la bande de valence (états 2 p du fluor) vers les différents niveaux de la bande de conduction dans la zone de Bnillouin. Nos mesures ne nous ont pas permis de mettre en evidence une oscillation collective des electrons de la bande de valence. Cependant, par analogie avec les autres halo6, et d’après les mesures d’absorption de Metzger3, cette oscillation pourgenures de potassium rait avoir lieu vers 15,5 eV. Roessler indique une possibilité a 14, 7 eV. Néanmoins, les mesures depertes d’énergie des electrons de Best7 et Gout8 ne présentent aucun maximum ft ces energies alors qu’elles mettent clairement en evidence l’osclllation pour les autres halogénures. Le caractère plus fortement lie des electrons de valence du fluorure est sans doute responsable de cet état de fait. A 20 eV, on remarque un pie de réflexton important correspondant au pie de 19, 5 eV pour le KC1. Philipps attribue ce dernier ft la transition 3 p K~ F,, ce qui est confirmé par le calcul de Oyama” et Howland~2des bandes du KC1 et par les mesures -.

_______

_______

_____

______ —

20

—

—

I

_______

________

________

_______

_______

—

30

-

40

50

60

FIG. 3 Fonction perte d’énergte des electrons: -Im “ de discontinuités X’3 propres ft KC1 également. Cependant, pour le KF, les constantes diélectriques e, et £2 ont l’allure caractérisant un oscillateur ft 20 eV: on peut donc penser que le pie de néflexion est dü, soit ft une resonance excitonique simple, soit encore ft un mécanisme excitonique double dii genre déjà décrit pour LiF’4 en effet 20 eV représente le double de l’énergie de formation du premier exditon de KF. Le spectre d.’absorption ft basse temperature permettrait de separer l’épaulement correspondant

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la transition 3 p K~— F, de l’exciton, et de verifier alors cette hypothese.

885

M, du potassium. ‘~ Enfin, l’allure des courbes de c, et ~2 ft 31,4 eV ainsi que le maximum important de la fonction perte permettent de conclure ft l’existence d’une onde longitudinale en ce point: par analogie avec les métaux on peut relier cette onde ft la propagation d’un plasmon. Cependant, le problème reste pose de savoir quels sont les electrons qui y participent.

~.

L’ excitation des electrons 2 S du F doit correspondre au pie de £2 ft 24,4 eV par anologie avec le spectre du LiF. On peut attribuer le maximum de 34 eV ft 1’ excitation des electrons 3 s du K’ en bon accord avec la discontinuité

TABLEAU 1 Résultats obtenus par différents auteurs entre 12,4 et 64 eV. Les chiffres indiques donnent les pnincipaux pies observes. eV riesures de ~tzger (3) Absor— ption photoem~iS—R

pertes eV

eV

-

ilos mesures —l 200

C2

13,5

14,T 14,9 15,14 15,~ i~,8 lu,i lo,2 , 5 10,7 17,2 17,5 17,5 17,o 18,3 18,5 19,3 20 20 20

13,o

13,8

114,9 15,8 lo,2

14,9 15,9 16,2

i~,6

17,1 18

—1

.

cc quasi norinale

—InC

sion 13 13 13,2 13,5 13,8

(~)

Mesures de Roessler ~ ~2

—ImC

12,9

12,9

12,9

13,14

13,14

13,5

114,3

14,3

14,7

16,9 17,3

16,9 17,3

17 17,6

i8,6

18,6

18,7

20

20

20,5

22,7

22,7

23

caractéristi—

ques d energie des electrons

Best

(7) 12,14

e

Goutet coil. (8) 13

17,1 17,5

19,3 20

21,2

22,5

24,4 26,7 28,6 30,2

214,4 26,7 28,5 30,2

314

34

20 20,6 22,5 23 25,14 26,7 29 30,2 31,4 34

20,5 22,5

22,5 25

26,9 28,2 31,0

31

33 37,7

41

41

48

48

514 58

514 58

64

64

140,2 514 58

61,4

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Optical constants of thin films of KF evaporated in situ are obtained from reflectance measurements. Results are given for the spectral range 12. ‘7 60 eV and show numerous transitions and a collective oscillation. They are compared with other measurements concerning reflectance, absorption, photo-electric emission and characteristic energy losses. -