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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�
1097.
ÉTUDE DES CONSTANTES
ÉLASTIQUES
DE LA BLENDEET 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 méthodesoptiques
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 ordinairejusqu’à
latempérature
de l’azote liquide. On a déduit parextrapolation
les constantes élastiques au zéro absolu, et la températurede 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 thicknessresonance 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 nitrogentemperature.
Theelastic 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 heatcapacity
measure- ments, is greater than theexperimental
error.PHYSIQUE TOME 24, DÉCEMBRE 1963,
I. Introduction. - La
première
détermination des constantesélastiques
du sulfure de zinc(blende)
par une méthode
statique
à 20OC,
est due àVoigt (1918) [1].
En 1944
Bhagavantam
etSuryanarayana [2]
déduisent de méthodes
dynamiques (vibrations ultrasonores),
unjeu
de constantesélastiques
à20 °C différent du
précédent
d’environ 10%.
Prince et Wooster en 1951
[3]
obtiennentd’autres valeurs
par
diffusion des rayons X auvoisinage
des réflexions sélectives. Leurs résultats s’écartent desprécédents
d’environ 10% pour Cxx
et
C12,
deplus
de 15%
pourC44.
Ilsopèrent égale-
ment à la
température
ordinaire.La
dispersion
de ces résultats rend hasardeuxles efforts
entrepris
pour relier lesgrandeurs
élas-tiques
à d’autres constantesphysiques
de la blende(notamment
la chaleurspécifique
et latempé-
rature de
Debye).
Par suite du
grand
intérêt queprésente
cecristal,
d’autres auteurs
(Forsterling [4],
Martin[5])
ontcependant poursuivi
cesefforts,
sans connaître toutefois lavaleur,
nécessaire à leurscalculs,
desconstantes
élastiques
à 0 OK.Pour lever ces
incertitudes,
nous nous sommesproposé
de déterminer les constantesélastiques
dela blende de
façon plus précise,
et d’étudierla
variation de ces
grandeurs
avec latempérature,
pour en connaître la valeur
extrapolée
au zéroabsolu.
2.
Description
des échantillons. - La blendeappartient
à l’hémiédrietétraédrique
dusystème
cubique (43 m).
.Nous
disposons
de trois échantillons de blende naturelleprovenant
de Pico deEuropa.
Nous lesdésignerons
par1, 2,3 (1).
- L’échantillon n° 1 a été taillé en forme de
parallélépipède rectangle
de dimensions16 X 9 X 5 mm. Les
grandes faces,
les facesmoyennes et les
petites
faces sontrespectivement parallèles
auxplans (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 formed’une lame dont
l’épaisseur
est faible(3 mm)
cequi
nuit à laprécision
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
sepropageant
dansnos 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
1098
Trois méthodes
optiques indépendantes
ont étémises en oeuvre : la méthode de
résonance,
laméthode de
visualisation,
la méthode de diffrac-tion de la lumière. Ces méthodes sont
rappelées
dans un article de
Meyer
et Hiedemann[9] ;
nousen limiterons
l’exposé
auxparticularités
propres à notre étude.3.1. MÉTHODE DE RÉSONANCE. - Des ondes
élastiques planes, engendrées
par unquartz piézo- électrique
forment entre deux facesplanes
etparal-
lèles du monocristal un
système
d’ondes station- naires.On sait
[10] qu’un
telsystème peut
diffracter la lumière comme le ferait un réseàu de pas À(À désignant
lalongueur
d’ondeélastique).
L’intensité de la
figure
de diffraction est maxi- malequand
le solide entre enrésonance,
c’est-à-dire
quand
L : distance des faces
parallèles,
k : nombre
entier,
ou encore
N :
fréquence
derésonance,
V :
vitesse
depropagation
des ondesélastiques.
Le cristal est
posé
sur unquartz piézo-électrique.
On excite ce
quartz
à l’aide d’ungénérateur
donton
peut
faire varier lafréquence
defaçon
continuedepuis
5méga-cycle jusqu’à
30méga-cycle.
La résonance du cristal est décelée par l’obser- vation visuelle
d’un
maximum de l’intensité’de lafigure
de diffraction. On note la suite des fré- quences derésonance ;
de cette mesure et de cellede
L,
on déduit y’d’après l’équation [2].
On
augmente
notablement le contraste de lafigure
de diffraction enplaçant
l’échantillonen vibration entre
polariseur
etanalyseur
croi-sés. Si les directions de
polarisation
sont à 450de la direction de
propagation
desultra-sons,
on observe les
résonances âues
aux ondeslongitu-
dinales.
Si les directions de
polarisation
sont à 0 et 900de la direction de
propagation
desultra-sons,
onobserve 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 ondesplanes, stationnaires, longitu-
dinales et
transversales, parallèles
auxplans (001)
et
(110).
On relie la vitesse de ces ondes aux constantes
élastiques CIl’ C12, C44
à l’aide du tableau decorrespondance
ci-contre :TABLEAU 1
(un
vecteur d’onde de cosinus directeurs[1,
m,n], pilote
une vibrationlongitudinale
de vitesseVi
etdeux vibrations transversales de vitesse
Y2
et’V3).
(p désigne
la’massespécifique
ducristal.) ,Cette
méthode estprécise.
Nous avons pu, parexemple,
observer toutes les résonances des ondeslongitudinales
sepropageant
suivant la direc- tion[110], depuis l’harmonique
25jusqu’à
l’har-monique
175.3.2. MÉTHODE DE VISUALISATION. - Un solide
Îransparent, siège
d’unsystème
d’ondes station- naires ultrasonores est enpremière approximation,
du
point
de vue del’optique,
unobjet
dephase.
On
peut donc,
par différentsprocédés (strioscopie,
contraste de
phase),
visualiser les ondes ultra-sonores à l’intérieur de ce solide.
Un autre
procédé
de visualisation estapplicable
dans le cas d’un milieu
isotrope
ou d’un cristalcubique.
Aux ventres de tensionélastique
se mani-feste une
biréfringence
accidentellequi
n’existepas aux noeuds. L’observation du solide en vibra-
tion, placé
entrepolariseur
etanalyseur
croisésà 450 de la direction de
propagation
des ondes élas-Fm. 1. - Ondes
longitudinales
dans un
parallélépipède
de verre.tiques,
révèle des raies sombres aux noeuds de tension etdes
zones claires aux ventres de tension(exemple fig. 1).
Nous avons
photographié
les échantillons de blende danslesquels
les ondes ultrasonores étaient visualisées. Lafigure
2représente
l’échantillon 1siège
d’unsystème
d’ondes stationnaireslongi-
tudinales. -
Fie. 2a. - Ondes
longitudinales
stationnaires dans la blende. Direction depropagation[001].
Fie. 2&.
- Ondeslongitudinales
stationnaires dans la blende.Direction,
depropagation
[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. Lerapport
des
longueurs
d’ondeÀ1
etÀ2
relatives à deuxfréquences
V1et v2
que l’on mesureexactement,
nous donne une relation entre les constantes élas-
tiques,
sansqu’il
soit nécessaire de connaître legrandissement
dusystème photographique.
3.3. MÉTHODE DE DIFFRACTION DE LA LUMIÈRE
(Franges
deLucas-Biquard).
On
photographie
lafigure
de diffraction donnée par lesystèmes
d’ondes stationnaires décrit auparagraphe
3.1.La distance du réseau ultrasonore à la
plaque
photographique
n’est pas connue avecprécision.
Pour éliminer cette
inconnue,
nous avonsphoto- graphié
lesfigures
de diffraction données simul- tanément par les ondeslongitudinales
et trans-versales.
La
figure
3représente
une tellefigure
de dif-fraction due aux ondes transversales et
longitu-
dinales se
propageant
suivant la direction[1, 1, 0].
Le
rapport
des distancesd1
etd2
desfranges
dupremier
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 depropagation
deces deux
types
d’ondes.Cette mesure donne une relation
supplémentaire
entre constantes
élastiques.
3.4.
RÉSULTATS.
Discussiorr. - Pourchaque
échantillon de
blende,
la méthode de résonance fournitquatre équations
oùfigurent
les constantesélastiques.
Cette méthode suffit donc pour déter- miner les trois constantes. Les deux autres mé-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
etC128
Parailleurs,
onremarque que la constante
C44
estbeaucoup plus
faible
d’après
ces auteurs qued’après
les autres.Il est
plus
difficile de comparer nos résultats avec ceux deBhagavantam
etSuryanarayana qui
necommuniquent
pas laprécision
de leurs mesures.On notera
toutefois
queC44
est déterminé par ces auteurs defaçon statique
c’est-à-dire moinspré-
cise. Si l’on
reporte
dans leurs calculs notre valeur deC44,
on trouve pourC12
un résultatproche
dunôtre.
4. Mesures à basse
température.
- Nous avonsmesuré.par
la méthode de résonance les constantesélastiques
de la blendedepuis
20 OCjusqu’au
voisi-nage de la
température d’ébullition
de l’azoteliquide (- 180 °C).
4.1. DESCRIPTION DU MONTAGE. - Le cristal
posé
sur lequartz piézoélectrique
estlogé
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
lelong
de tubulurespercées
dans sa masse. L’ensemble estplacé
dansun vase Dewar où l’on a
ménagé
deux fenêtresoptiques permettant
le passage de la lumière etl’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 deplatine.
Dans les deuxcas, la
température
au niveau du cristal est main- tenue constanteà +
1°C. Cemontage
estinspiré
de celui décrit par Kahane
[11].
Discussion. -- La relation
(2), qui
nouspermet
de calculer la vitesse depropagation
desultrasons,
n’est
applicable
que si lecouplage
entrequartz
etcristal,
assuré par une couche deliaison,
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 deparaffine, décahydronaphtalène, méthylcyclo- hexane, méthyl
2 butane.4.2. RÉSULTATS. - Le calcul des constantes
élastiques
à différentestempératures
nécessite la connaissance du coefficient de dilatation de la blende en fonction de latempérature.
Nous avonsemprunté
les résultats à Adenstedt[12].
Les courbes
1,
2 et 3(fig. 4) représentent
lesvariations des constantes
élastiques CI,, C12,
etFIG. 4.
C44
en fonction de latempérature depuis
20°Cjusqu’à -
180°C,
Cescourbes
sontd’allure
presquerectiligne,
avec unelégère
convexité tournée vers l’axe desCu croissants,
à bassetempérature.
Lespentes
des courbes sont toutefois très faibles com-parées
aux courbes relatives à des cristauXioniques.
4.3. CONSTANTES
ÉLASTIQUES
A 0 OK. - Les courbes1,
2 et 3 nous ontpermis
d’évaluer parextrapolation
les constantesélastiques C,1, C12.
et
C44
au zéro absolu. Onpeut extrapoler graphe
quement
enprolongeant
les courbes1,
2 et 3jusqu’à
0 OK defaçon
à ce queè)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 0OK ;
u =
T ¡aD
avec Tt’empérature
endegré Kelvin ;
OD
température
deDebye ;
Fii(u)
est une fonction de uqui
nedépend
pas de la substanceétudiée ;
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,
lacompressibilité
isotherme dela blende
xT [14, 15].
Cette
grandeur peut
être calculée àpartir
de nosrésultats
puisque
C i, CT2 désignant
les constantesélastiques
iso-thermes- de la
blende.
La méthodedynamique
quenous utilisons nous donne les coefficients
élastiques adiabatiques Cfl’ C 2,
reliés auxprécédents
parles 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 lacompressibilité
5.2. TEMPÉRATURE DE DEBYE DE LA BLENDE. -
5.2.1.
Rappel
des résultatsprécédents.
- La théoriede
Debye
des chaleursspécifiques
relie latempé- .
rature
caractéristique OD
aux constantesélastiques
par la relation :
Notations de Blackmann [16]
Cm,
la vitesse moyenne depropagation
des ondesélastiques
dans le cristal est définie par la relation :où
V1, V 2, V3 désignent
les vitesses de propa-gation
des ondeslongitudinales
et transversales relatives à unemême direction ; l’intégration porte
sur toutes les directions de
l’espace.
La
comparaison
de aD ainsi calculé(nous
note-rons
6D élastique)
à la valeur6D(y)
évaluéed’après
les mesures de chaleur
spécifique,
estparticuliè-
rement intéressante dans le cas de la
blende.
Eneffet,
ce cristal est unsemi-conducteur,
dont le« gap » est élevé
(La
résistivité àtempérature
ambiante est
supérieure
à 1012ohm/cm).
Il enrésulte que la contribution
électronique
à la cha-leur
spécifique
estnégligeable
devant la contri-bution du réseau.
Comparaison
deOD(T)
etOD)(élastique).
-
Forsterling [4]
a calculéSa (élastique)
et Cmd’après
les constantesélastiques
deVoigt ;
iltrouve :
- Clusius et Harteck
[17]
ont mesuré la chaleurspécifique
de la blende entre 19 OK et 200 OK. Deleurs mesures ils déduisent.
On constate donc que
03B8D( T) OD (élastique).
D’après
lesprévisions
de Blackmann[16],
lamesure des chaleurs
spécifiques
à destempératures
inférieures à 19 OK était
susceptible
de réduire l’écart entreOD(T)
etOD(élastique).
En effetMartin
[5]
a étudié la blende de cepoint
de vueentre 19 OK et 4 OK. La courbe de variation de OD
en fonction de la
température
s’élèvequand
latempérature diminue,
pour atteindre la valeur. OD = 315 OK à 8 OK. Martin réduit encore l’écart entre OD
(élastique)
et8n(T)
en calculant OD(élas- tique) d’après
les valeurs de Wooster[3].
Ce calcultoutefois
appelle
deux remarques : - les cons- tantesélastiques
de Wooster sontimprécises ;
- laméthode de calcul
qu’utilise
Martin(Bhatia
etTauber
[18])
sejustifie
pour un cristal tel que2C441C11
-C12 =
1. Cette relation n’est pas véri- fiée pour la blende.1102
5.2.2. Calcul de CD
(élastique).
- Nous avonsévalué OD
(élastique)
de la blende en utilisant nosvaleurs à 0 OK de
C11, C,2
etC44.
La méthode deHopf
et Lechner modifiée par Durand[13]
n’estpas
précise
carC44 (C11- C44)
varie dans un do- mainetrop
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 cosinusdirecteurs l,
m, n,répon-
dent aux
inégalités 1 > m > n >
0. Dans cetterégion
del’espace
nous avons évalué la somme sdans de nombreux
plans
de coupepuis
déterminégraphiquement
une valeur moyenne. Nous obte-nons :
On note que l’écart entre
8D( T)
et OD(élastique)
est de nouveau bien
supérieur
aux erreursexpéri-
mentales.
6. Conclusion. -
Nous avons
mesuré par trois mé- thodesoptiques indépendantes
les constantes élas-tiques
d’échantillons naturels de blende àtempé-
rature ordinaire. Les résultats sont en excellent
, accord
avec les mesures decompressibilité
de lablende. Nous avons étudié la variation des cons-
tantes
élastiques
de 20°C à - 180°C afin dedéduire la valeur de ces constantes à 0 OK.
Ces données nous ont
permis
de calculer la tem-pérature
deDebye
de la blende. Le résultat sou-ligne
à nouveau le désaccord entreOD (élastique)
et6D( T).
Ces recherches ont été faites au Laboratoire des Recherches
Physiques
de laSorbonne,
sous ladirection de MM. les Professeurs Lucas et Mathieu.
Nous tenons à leur
exprimer
ici notreprofonde 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
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