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HAL Id: jpa-00205710

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Submitted on 1 Jan 1963

HAL

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Étude des constantes élastiques de la blende et de leur variation avec la température

André Zarembovitch

To cite this version:

André Zarembovitch. Étude des constantes élastiques de la blende et de leur variation avec la tem- pérature. Journal de Physique, 1963, 24 (12), pp.1097-1102. �10.1051/jphys:0196300240120109700�.

�jpa-00205710�

(2)

1097.

ÉTUDE DES CONSTANTES

ÉLASTIQUES

DE LA BLENDE

ET DE LEUR VARIATION AVEC LA

TEMPÉRATURE

Par ANDRÉ

ZAREMBOVITCH,

Laboratoire des Recherches

Physiques,

Sorbonne.

Résumé. 2014 Les vitesses des ondes ultrasonores se

propageant

dans différentes directions d’un monocristal de sulfure de zinc

(blende)

ont été mesurées au moyen de trois méthodes

optiques

indépendantes : méthode de résonance, méthode de diffraction de la lumière par les ultrasons,

méthode de visualisation. Les expériences ont été répétées sur

plusieurs

échantillons. Les cons-

tantes

élastiques

déduites de ces mesures à température ordinaire sont en accord avec la valeur de la compressibilité de la blende.

Cette étude a été

poursuivie

depuis la température ordinaire

jusqu’à

la

température

de l’azote liquide. On a déduit par

extrapolation

les constantes élastiques au zéro absolu, et la température

de Debye de la blende. On constate que l’écart entre notre valeur, et la température de Debye

déterminée par des mesures de chaleur spécifique, est supérieur aux erreurs

d’expériences.

Abstract. 2014 The velocities of ultrasonic waves travelling along different directions of a zinc blende monocrystal have been measured by three

independent,optical

methods : the thickness

resonance method, light diffraction by ultrasonic waves, and the visualization method.

Several

samples

have been investigated. The elastic constants derived from the measurements at room temperature agree with the value of the compressibility of zinc-blende.

This

study

has been carried out from room temperature to liquid nitrogen

temperature.

The

elastic constants at 0 °K are derived by

extrapolation

and the Debye temperature of zinc-blende calculated. The difference between our value, and that deduced from heat

capacity

measure- ments, is greater than the

experimental

error.

PHYSIQUE TOME 24, DÉCEMBRE 1963,

I. Introduction. - La

première

détermination des constantes

élastiques

du sulfure de zinc

(blende)

par une méthode

statique

à 20

OC,

est due à

Voigt (1918) [1].

En 1944

Bhagavantam

et

Suryanarayana [2]

déduisent de méthodes

dynamiques (vibrations ultrasonores),

un

jeu

de constantes

élastiques

à

20 °C différent du

précédent

d’environ 10

%.

Prince et Wooster en 1951

[3]

obtiennent

d’autres valeurs

par

diffusion des rayons X au

voisinage

des réflexions sélectives. Leurs résultats s’écartent des

précédents

d’environ 10

% pour Cxx

et

C12,

de

plus

de 15

%

pour

C44.

Ils

opèrent égale-

ment à la

température

ordinaire.

La

dispersion

de ces résultats rend hasardeux

les efforts

entrepris

pour relier les

grandeurs

élas-

tiques

à d’autres constantes

physiques

de la blende

(notamment

la chaleur

spécifique

et la

tempé-

rature de

Debye).

Par suite du

grand

intérêt que

présente

ce

cristal,

d’autres auteurs

(Forsterling [4],

Martin

[5])

ont

cependant poursuivi

ces

efforts,

sans connaître toutefois la

valeur,

nécessaire à leurs

calculs,

des

constantes

élastiques

à 0 OK.

Pour lever ces

incertitudes,

nous nous sommes

proposé

de déterminer les constantes

élastiques

de

la blende de

façon plus précise,

et d’étudier

la

variation de ces

grandeurs

avec la

température,

pour en connaître la valeur

extrapolée

au zéro

absolu.

2.

Description

des échantillons. - La blende

appartient

à l’hémiédrie

tétraédrique

du

système

cubique (43 m).

.

Nous

disposons

de trois échantillons de blende naturelle

provenant

de Pico de

Europa.

Nous les

désignerons

par

1, 2,3 (1).

- L’échantillon 1 a été taillé en forme de

parallélépipède rectangle

de dimensions

16 X 9 X 5 mm. Les

grandes faces,

les faces

moyennes et les

petites

faces sont

respectivement parallèles

aux

plans (110), (110), (001).

L’orien-

tation des faces par

rapport

aux axes cristallo-

graphiques

a été vérifiée aux rayons X. Elle est correcte à mieux de 10.

- L’échantillon no 2 se

présente

sous la forme

d’une lame dont

l’épaisseur

est faible

(3 mm)

ce

qui

nuit à la

précision

des mesures.

- L’échantillon no 3 est un

parallélépipède

rec-

tangle

de dimensions 10 X 10 X 19 mm. L’orien- tation des faces est la même que pour l’échan- tillon no 1.

3. Mesures à

température

ordinaire

(20 oC).

--

Nous avons déterminé la vitesse de

propagation

d’ondes ultra-sonores

planes

se

propageant

dans

nos échantillons.

(1) Les échantillons ont été

mis;aimablement

à notre dis-

position

par MM. les Professeurs J. P. Mathieu et H. Curien.

Les échantillons 1 et 2 ont déjà servi à des études

optiques

[6], [7], [8].

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:0196300240120109700

(3)

1098

Trois méthodes

optiques indépendantes

ont été

mises en oeuvre : la méthode de

résonance,

la

méthode de

visualisation,

la méthode de diffrac-

tion de la lumière. Ces méthodes sont

rappelées

dans un article de

Meyer

et Hiedemann

[9] ;

nous

en limiterons

l’exposé

aux

particularités

propres à notre étude.

3.1. MÉTHODE DE RÉSONANCE. - Des ondes

élastiques planes, engendrées

par un

quartz piézo- électrique

forment entre deux faces

planes

et

paral-

lèles du monocristal un

système

d’ondes station- naires.

On sait

[10] qu’un

tel

système peut

diffracter la lumière comme le ferait un réseàu de pas À

(À désignant

la

longueur

d’onde

élastique).

L’intensité de la

figure

de diffraction est maxi- male

quand

le solide entre en

résonance,

c’est-à-

dire

quand

L : distance des faces

parallèles,

k : nombre

entier,

ou encore

N :

fréquence

de

résonance,

V :

vitesse

de

propagation

des ondes

élastiques.

Le cristal est

posé

sur un

quartz piézo-électrique.

On excite ce

quartz

à l’aide d’un

générateur

dont

on

peut

faire varier la

fréquence

de

façon

continue

depuis

5

méga-cycle jusqu’à

30

méga-cycle.

La résonance du cristal est décelée par l’obser- vation visuelle

d’un

maximum de l’intensité’de la

figure

de diffraction. On note la suite des fré- quences de

résonance ;

de cette mesure et de celle

de

L,

on déduit y’

d’après l’équation [2].

On

augmente

notablement le contraste de la

figure

de diffraction en

plaçant

l’échantillon

en vibration entre

polariseur

et

analyseur

croi-

sés. Si les directions de

polarisation

sont à 450

de la direction de

propagation

des

ultra-sons,

on observe les

résonances âues

aux ondes

longitu-

dinales.

Si les directions de

polarisation

sont à 0 et 900

de la direction de

propagation

des

ultra-sons,

on

observe les résonances dues aux ondes transver- sales.

Nous avons pu ainsi observer à différentes fré- quences les

figures

de diffraction de la lumière dues aux ondes

planes, stationnaires, longitu-

dinales et

transversales, parallèles

aux

plans (001)

et

(110).

On relie la vitesse de ces ondes aux constantes

élastiques CIl’ C12, C44

à l’aide du tableau de

correspondance

ci-contre :

TABLEAU 1

(un

vecteur d’onde de cosinus directeurs

[1,

m,

n], pilote

une vibration

longitudinale

de vitesse

Vi

et

deux vibrations transversales de vitesse

Y2

et

’V3).

(p désigne

la’masse

spécifique

du

cristal.) ,Cette

méthode est

précise.

Nous avons pu, par

exemple,

observer toutes les résonances des ondes

longitudinales

se

propageant

suivant la direc- tion

[110], depuis l’harmonique

25

jusqu’à

l’har-

monique

175.

3.2. MÉTHODE DE VISUALISATION. - Un solide

Îransparent, siège

d’un

système

d’ondes station- naires ultrasonores est en

première approximation,

du

point

de vue de

l’optique,

un

objet

de

phase.

On

peut donc,

par différents

procédés (strioscopie,

contraste de

phase),

visualiser les ondes ultra-

sonores à l’intérieur de ce solide.

Un autre

procédé

de visualisation est

applicable

dans le cas d’un milieu

isotrope

ou d’un cristal

cubique.

Aux ventres de tension

élastique

se mani-

feste une

biréfringence

accidentelle

qui

n’existe

pas aux noeuds. L’observation du solide en vibra-

tion, placé

entre

polariseur

et

analyseur

croisés

à 450 de la direction de

propagation

des ondes élas-

Fm. 1. - Ondes

longitudinales

dans un

parallélépipède

de verre.

(4)

tiques,

révèle des raies sombres aux noeuds de tension et

des

zones claires aux ventres de tension

(exemple fig. 1).

Nous avons

photographié

les échantillons de blende dans

lesquels

les ondes ultrasonores étaient visualisées. La

figure

2

représente

l’échantillon 1

siège

d’un

système

d’ondes stationnaires

longi-

tudinales. -

Fie. 2a. - Ondes

longitudinales

stationnaires dans la blende. Direction de

propagation[001].

Fie. 2&.

- Ondes

longitudinales

stationnaires dans la blende.

Direction,

de

propagation

[110]. ,

En a la direction de

propagation

est

[001].

En b la direction de

propagation

est

[110]..

La distance de 2 noeuds est

égale

à la demi-

longueur d’onde, xi j2

en a,

Xg/2

en b. Le

rapport

des

longueurs

d’onde

À1

et

À2

relatives à deux

fréquences

V1

et v2

que l’on mesure

exactement,

nous donne une relation entre les constantes élas-

tiques,

sans

qu’il

soit nécessaire de connaître le

grandissement

du

système photographique.

3.3. MÉTHODE DE DIFFRACTION DE LA LUMIÈRE

(Franges

de

Lucas-Biquard).

On

photographie

la

figure

de diffraction donnée par le

systèmes

d’ondes stationnaires décrit au

paragraphe

3.1.

La distance du réseau ultrasonore à la

plaque

photographique

n’est pas connue avec

précision.

Pour éliminer cette

inconnue,

nous avons

photo- graphié

les

figures

de diffraction données simul- tanément par les ondes

longitudinales

et trans-

versales.

La

figure

3

représente

une telle

figure

de dif-

fraction due aux ondes transversales et

longitu-

dinales se

propageant

suivant la direction

[1, 1, 0].

Le

rapport

des distances

d1

et

d2

des

franges

du

premier

ordre est mesurable sur le cliché.

FIG. 3. - Diffraction de la lumière par deux systèmes simultanés d’ondes stationnaires dans un cristal de blende.

V1 et V2 désignant

les vitesses de

propagation

de

ces deux

types

d’ondes.

Cette mesure donne une relation

supplémentaire

entre constantes

élastiques.

3.4.

RÉSULTATS.

Discussiorr. - Pour

chaque

échantillon de

blende,

la méthode de résonance fournit

quatre équations

figurent

les constantes

élastiques.

Cette méthode suffit donc pour déter- miner les trois constantes. Les deux autres mé-

(5)

1100

thodes ont été utilisées pour améliorer la

précision

des résultats. On en déduit :

Ces résultats sont obtenus avec pour valeur mesurée de la masse

spécifique

Les résultats

précédemment publiés

sont re-

portés

dans le tableau 2.

TABLEAU 2

Les constantes de Wooster et Price étant déter- minées avec une erreur relative de 5

%,

la diver-

gence avec nos résultats reste dans des valeurs admissibles

pour Cl1

et

C128

Par

ailleurs,

on

remarque que la constante

C44

est

beaucoup plus

faible

d’après

ces auteurs que

d’après

les autres.

Il est

plus

difficile de comparer nos résultats avec ceux de

Bhagavantam

et

Suryanarayana qui

ne

communiquent

pas la

précision

de leurs mesures.

On notera

toutefois

que

C44

est déterminé par ces auteurs de

façon statique

c’est-à-dire moins

pré-

cise. Si l’on

reporte

dans leurs calculs notre valeur de

C44,

on trouve pour

C12

un résultat

proche

du

nôtre.

4. Mesures à basse

température.

- Nous avons

mesuré.par

la méthode de résonance les constantes

élastiques

de la blende

depuis

20 OC

jusqu’au

voisi-

nage de la

température d’ébullition

de l’azote

liquide (- 180 °C).

4.1. DESCRIPTION DU MONTAGE. - Le cristal

posé

sur le

quartz piézoélectrique

est

logé

à l’inté-

rieur d’un bloc de laiton de

grande capacité

calo-

rifique.

Le refroidissement du bloc est assuré par une circulation d’azote

liquide

le

long

de tubulures

percées

dans sa masse. L’ensemble est

placé

dans

un vase Dewar où l’on a

ménagé

deux fenêtres

optiques permettant

le passage de la lumière et

l’observation des

figures

de diffraction.

La commande du circuit de pompage de l’azote

est asservie à la

température

de l’enceinte par l’intermédiaire d’un thermomètre à gaz ou d’un thermomètre à résistance de

platine.

Dans les deux

cas, la

température

au niveau du cristal est main- tenue constante

à +

1°C. Ce

montage

est

inspiré

de celui décrit par Kahane

[11].

Discussion. -- La relation

(2), qui

nous

permet

de calculer la vitesse de

propagation

des

ultrasons,

n’est

applicable

que si le

couplage

entre

quartz

et

cristal,

assuré par une couche de

liaison,

est suffi-

samment lâche pour que l’on

puisse

considérer le cristal comme libre.

Suivant

la température

nous avons utilisé dif- f érents a liants »

répondant

à cette condition : huile de

paraffine, décahydronaphtalène, méthylcyclo- hexane, méthyl

2 butane.

4.2. RÉSULTATS. - Le calcul des constantes

élastiques

à différentes

températures

nécessite la connaissance du coefficient de dilatation de la blende en fonction de la

température.

Nous avons

emprunté

les résultats à Adenstedt

[12].

Les courbes

1,

2 et 3

(fig. 4) représentent

les

variations des constantes

élastiques CI,, C12,

et

FIG. 4.

C44

en fonction de la

température depuis

20°C

jusqu’à -

180

°C,

Ces

courbes

sont

d’allure

presque

rectiligne,

avec une

légère

convexité tournée vers l’axe des

Cu croissants,

à basse

température.

Les

pentes

des courbes sont toutefois très faibles com-

parées

aux courbes relatives à des cristauX

ioniques.

4.3. CONSTANTES

ÉLASTIQUES

A 0 OK. - Les courbes

1,

2 et 3 nous ont

permis

d’évaluer par

extrapolation

les constantes

élastiques C,1, C12.

et

C44

au zéro absolu. On

peut extrapoler graphe

quement

en

prolongeant

les courbes

1,

2 et 3

(6)

jusqu’à

0 OK de

façon

à ce que

è)Cu jôT

= 0 pour T = 0.

On

peut également,

suivant une méthode em-

ployée

par Durand

[13],

écrire que :

( Cu) 0 désignant

la valeur de Cn à 0

OK ;

u =

T ¡aD

avec T

t’empérature

en

degré Kelvin ;

OD

température

de

Debye ;

Fii(u)

est une fonction de u

qui

ne

dépend

pas de la substance

étudiée ;

Ais une constante carac-

téristique

de la substance étudiée.

L’utilisation de ces deux méthodes est concor-

dante et nous conduit aux résultats suivants :

5. Utilisation des résultats. - 5.1.

ÉVALUATION

DE LA COMPRESSIBILITÉ ISOTHERME DE LA BLENDE.

- De nombreux auteurs ont mesuré à la

tempé-

rature

ordinaire,

la

compressibilité

isotherme de

la blende

xT [14, 15].

Cette

grandeur peut

être calculée à

partir

de nos

résultats

puisque

C i, CT2 désignant

les constantes

élastiques

iso-

thermes- de la

blende.

La méthode

dynamique

que

nous utilisons nous donne les coefficients

élastiques adiabatiques Cfl’ C 2,

reliés aux

précédents

par

les relations

(6)

et

(7)

oc : coefficient de dilatation

linéaire,

p : masse

spécifique,

Cv : chaleur

spécifique

à volume constant.

Le terme

9T(X2/pCv XT

est un terme correctif dont 1 a valeur est :

0,03 .1011.

Il vient :

Ce résultat est en excellent accord avec les valeurs

publiées [14, 15].

obtenues par mesure

statique

de la

compressibilité

5.2. TEMPÉRATURE DE DEBYE DE LA BLENDE. -

5.2.1.

Rappel

des résultats

précédents.

- La théorie

de

Debye

des chaleurs

spécifiques

relie la

tempé- .

rature

caractéristique OD

aux constantes

élastiques

par la relation :

Notations de Blackmann [16]

Cm,

la vitesse moyenne de

propagation

des ondes

élastiques

dans le cristal est définie par la relation :

V1, V 2, V3 désignent

les vitesses de propa-

gation

des ondes

longitudinales

et transversales relatives à une

même direction ; l’intégration porte

sur toutes les directions de

l’espace.

La

comparaison

de aD ainsi calculé

(nous

note-

rons

6D élastique)

à la valeur

6D(y)

évaluée

d’après

les mesures de chaleur

spécifique,

est

particuliè-

rement intéressante dans le cas de la

blende.

En

effet,

ce cristal est un

semi-conducteur,

dont le

« gap » est élevé

(La

résistivité à

température

ambiante est

supérieure

à 1012

ohm/cm).

Il en

résulte que la contribution

électronique

à la cha-

leur

spécifique

est

négligeable

devant la contri-

bution du réseau.

Comparaison

de

OD(T)

et

OD)(élastique).

-

Forsterling [4]

a calculé

Sa (élastique)

et Cm

d’après

les constantes

élastiques

de

Voigt ;

il

trouve :

- Clusius et Harteck

[17]

ont mesuré la chaleur

spécifique

de la blende entre 19 OK et 200 OK. De

leurs mesures ils déduisent.

On constate donc que

03B8D( T) OD (élastique).

D’après

les

prévisions

de Blackmann

[16],

la

mesure des chaleurs

spécifiques

à des

températures

inférieures à 19 OK était

susceptible

de réduire l’écart entre

OD(T)

et

OD(élastique).

En effet

Martin

[5]

a étudié la blende de ce

point

de vue

entre 19 OK et 4 OK. La courbe de variation de OD

en fonction de la

température

s’élève

quand

la

température diminue,

pour atteindre la valeur

. OD = 315 OK à 8 OK. Martin réduit encore l’écart entre OD

(élastique)

et

8n(T)

en calculant OD

(élas- tique) d’après

les valeurs de Wooster

[3].

Ce calcul

toutefois

appelle

deux remarques : - les cons- tantes

élastiques

de Wooster sont

imprécises ;

- la

méthode de calcul

qu’utilise

Martin

(Bhatia

et

Tauber

[18])

se

justifie

pour un cristal tel que

2C441C11

-

C12 =

1. Cette relation n’est pas véri- fiée pour la blende.

(7)

1102

5.2.2. Calcul de CD

(élastique).

- Nous avons

évalué OD

(élastique)

de la blende en utilisant nos

valeurs à 0 OK de

C11, C,2

et

C44.

La méthode de

Hopf

et Lechner modifiée par Durand

[13]

n’est

pas

précise

car

C44 (C11- C44)

varie dans un do- maine

trop

étendu pour des directions de propa-

gation

d’onde différentes.

Nous avons évalué Cm par

intégration graphique.

En raison de la

symétrie cubique,

il suffit de cal- culer la somme s =

-V1-3

+

Y2 3

+

Y3 3

pour les directions dont les cosinus

directeurs l,

m, n,

répon-

dent aux

inégalités 1 > m > n >

0. Dans cette

région

de

l’espace

nous avons évalué la somme s

dans de nombreux

plans

de coupe

puis

déterminé

graphiquement

une valeur moyenne. Nous obte-

nons :

On note que l’écart entre

8D( T)

et OD

(élastique)

est de nouveau bien

supérieur

aux erreurs

expéri-

mentales.

6. Conclusion. -

Nous avons

mesuré par trois mé- thodes

optiques indépendantes

les constantes élas-

tiques

d’échantillons naturels de blende à

tempé-

rature ordinaire. Les résultats sont en excellent

, accord

avec les mesures de

compressibilité

de la

blende. Nous avons étudié la variation des cons-

tantes

élastiques

de 20°C à - 180°C afin de

déduire la valeur de ces constantes à 0 OK.

Ces données nous ont

permis

de calculer la tem-

pérature

de

Debye

de la blende. Le résultat sou-

ligne

à nouveau le désaccord entre

OD (élastique)

et

6D( T).

Ces recherches ont été faites au Laboratoire des Recherches

Physiques

de la

Sorbonne,

sous la

direction de MM. les Professeurs Lucas et Mathieu.

Nous tenons à leur

exprimer

ici notre

profonde gratitude.

Les échantillons de blende ont été taillés et

polis

par Mme Devaux-Morin et Mlle Chabaud. Nous les

en remercions bien vivement.

Manuscrit reçu le 26

juillet

1963.

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[15] BRIDGMANN (P.

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[16] BLACKMANN (M.), Hand. Physik, 1955, 7, 325.

[17] CLUSIUS (K.) et HARTECK

(P.),

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[18] BHATIA (A. B.) et TAUBER

(G. E.),

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Referências

Documentos relacionados

(Originalmente publicado em 1969). Dicionário de psicanálise. Rio de Janeiro: Jorge Zahar. Nota do editor inglês. Ribeiro, Rev.Trad.), Edição Standard Brasileira das Obras