1. Interaction photon-électron dans les solides ; Une définition de travail : "l'antiphotoconductivité"

1.1 Introduction sur le "nom"

Les rappels instructifs que nous allons faire sur les interactions connues photon-électron dans les solides ne sont pas épistémologiques. Ils sont seulement une remise en mémoire utile.

D'autre part, et cela a une importance plus considérable qu'il n'y parait, il faut désormais affecter "un nom", accordé véritablement selon nature, au phénomène que nous cernons dans ce travail. Dans le contexte électromagnétique qui est envisagé ici, il s'agit de l'interaction d'onde(s) électromagnétique(s) avec des porteurs de charges électriques dans leurs environnements spéciaux. Les porteurs de charges électriques sont en général des électrons, mais d'ailleurs ils peuvent aussi être des "trous" ou des ions. L'"environnement", lui, peut être vu comme les conditions de contraintes réalisées par la matrice d'un matériau (où des phénomènes généraux de transport peuvent avoir lieu), et aussi comme des contraintes, dans un sens large, dues supplémentairement à la présence de champs électriques et/ou magnétiques statiques, ou même impulsionnels, présentant certains avantages.

Un nom est beaucoup plus qu'un simple résumé, et ici tout porte à définir une ANTIPHOTOCONDUCTIVITÉ. Elle sera d'ailleurs de deux types seulement. Nous le verrons plus loin.

Cela ne résout pas tout - ou même rien - mais dire qu'une particule est un électron ne résout pas non plus ses interactions ondulatoires avec la matière. Au moins, on sait, à une certaine échelle de connaissance, de quoi on parle (vaguement). L'"explication" vient parfois longtemps après ...

1.2 Nature quantique et particularités liées aux phénomènes photoélectriques dans les solides

Avant de rappeler, dans leurs principes, les actes photoélectriques pouvant se produire dans les solides, indiquons qu'en général les exposés de base sont faits sur des systèmes à organisation spatiale périodique (cristaux) où l'on peut déduire des propriétés d'ensemble à partir d'unités élémentaires composantes grâce à l'introduction du concept de "quasi-particule" (voir plus loin).

Bien entendu, dans des systèmes aussi complexes qu'un fil conducteur tordu dans tous les sens, on perd un tas de propriétés dont, par exemple, celle d'invariance par translations liées au réseau. Cependant, des concepts fondamentaux, issus d'études remarquables sur les cristaux, peuvent être généralisables, si l'on peut dire. Des extensions se font maintenant sur des systèmes aussi complexes que des systèmes biologiques d'agrégats, et les notions fondamentales peuvent être conservées comme point de départ de compréhension, telles que phonons, excitons,... - excitations élémentaires quantiques -, alors que, par essence, des oscillations collectives telles que les plasmons n'ont pas là la même importance (voir plus loin).

Cela dit, il faut maintenant insister sur la nature quantique des phénomènes (et leurs particularités) photoélectriques connus, et dûment utilisés, dans les solides. Ils dépassent ceux liés à des notions purement atomiques et moléculaires isolées.

Tout d'abord, rappelons que c'est bien la théorie quantique qui fut mise à contribution pour rendre compte correctement de l'effet photoélectrique externe (voir plus bas).

Dans une substance soumise à l'effet d'une onde électromagnétique, il se produit en général des transitions quantiques dues aux actes d'interactions des électrons et aussi des quasi-particules. La structure des états électroniques de la substance est aussi un facteur important. Il est nécessaire de quantifier les mouvements collectifs possibles, de passer à l'examen des quasi-particules et de présenter le rayonnement optique sous forme quantique, c'est-à-dire sous forme de photons. Et ceci si l'on veut décrire correctement les phénomènes photoélectriques.

Aux états électroniques liés (c'est-à-dire "strictement autour" des noyaux fixes) s'ajoutent en outre, pour les électrons, des états quantiques dans des "bandes" (où des électrons sont mis en commun par le solide). Ces états sont caractérisés, en particulier, par une loi de dispersion spécifique : , énergie de l'électron et son vecteur d'onde et par un éventuel degré de dégénérescence pour les ensembles électroniques sis dans les bandes de conduction.

D'autre part, les transitions bande-bande, impureté-bande et bandeétat de mouvement libre jouent un rôle très important dans les corps solides et surtout dans les semi-conducteurs (qui ne nous intéressent que peu ici) et les diélectriques (=isolants) dont le rôle est loin d'être évident dans les problèmes d'interactions "OVNI" qui nous occupent.

Finalement, il faut voir que dans le cas général, l'interaction photon-électron dans les cristaux (et dans les solides moins organisés), s'effectue avec la participation de quasi-particules. Les phonons (quanta vibrationnels, si l'on veut), par exemple, confèrent un caractère original aux transitions indirectes dans les corps solides. Comme, en outre, il y a une multitude d'actes élémentaires d'interaction photon-électron qui sont déphasés (dans le temps) et séparés spatialement, cela peut par exemple occasionner des problèmes spécifiques à une accumulation d'effets élémentaires dans l'espace (importance en optique non linéaire). Ainsi, l'on voit que l'interaction photon-électron peut être beaucoup plus riche et complexe que dans une assemblée "pure" d'atomes ou de molécules (exemple : l'atmosphère terrestre).

Quelques rappels s'imposent ici sur les quasi-particules pour une compréhension de principe facilitée au cours des textes suivants.

1.3 Rappel succinct sur les quasi-particules

On définit souvent un cristal comme un gaz de quasi-particules. Elles ne sont, bien entendu, pas à confondre avec les particules réelles (électrons, atomes ionisés ou non) qui constituent le matériau. On peut dire que les quasi-particules sont un modèle "corpusculaire" de mouvements ondulatoires collectifs pouvant exister au sein des solides. Leur concept est issu de la quantification des ondes de propagation possible dans une structure spatialement périodique ou, au pire, dans une structure possédant un certain degré d'organisation.

L'existence d'une structure macroscopique entraîne celle des quasi-particules. Il est ainsi hors de sens de vouloir extraire une quasi-particule d'un cristal, qui seul justifie le concept.

L'avantage de ce concept descriptif de quasi-particule (ou d'excitation élémentaire) permet, dans les calculs, de réduire la dynamique compliquée d'un grand ensemble de particules réelles en interaction forte à une dynamique plus simple : celle d'un gaz de quasi-particules.

Quelques exemples :

1.3.1 Quasi-particules d'origine collective

1.3.2 Quasi-particules d'origine individuelle

L'absorption de photons par des diélectriques (et aussi des semi-conducteurs) peut provoquer l'apparition de paire électron trou. Les éléments de la paire créée peuvent être indépendants et participer séparément l'un de l'autre au transport de charge électrique ().

S'ils sont couplés (), liés par une énergie on appelle alors la paire un exciton. Il est, en gros, électriquement neutre, mais peut être vu comme un accumulateur d'énergie atomique, capable de transporter l'énergie d'un point à un autre du cristal (caractère ondulatoire). Indiquons que la formation des excitons explique l'absorption de la lumière dans les diélectriques qui n'entraîne pas de photoconductivité ! Des recombinaisons électron-trou sont possibles soit radiativement (émission de photon), soit non radiativement (avec création de phonons, etc....).

Pour terminer brièvement, disons que toutes les interactions entre particules et quasi-particules sont possibles et donnent naissance à d'autres quasi-particules :

1.4 Les conducteurs et les isolants : leurs bandes schématiques

Les deux figures classiques ci dessous (aide-mémoire visuel) schématisent simplement les différences de principe entre conducteurs usuels et isolants usuels. Les ordonnées sont en énergies (E). Quelques remarques importantes sur les isolants suivent.


Figure 1 - Conducteur usuel


Figure 2 - Isolant usuel

Pour les diélectriques (les isolants), des électrons mis en commun dans les bandes occupées peuvent certes se déplacer dans le solide mais pas suffisamment pour assurer une conduction électrique. Il faut une "possibilité de déplacement" dans l'échelle des énergies (contrainte quantique). Une conduction qui correspond au pilotage de porteurs en charge électrique modifie une composante de vitesse (d'où vitesse de dérive), donc l'énergie. Dans le cas d'une bande entièrement occupée (en "restant" dans ses limites relatives), l'accroissement d'énergie est impossible, d'où cette propriété d'être "isolant". Par contre, si la largeur n'est pas trop grande (), un saut quantique "à travers" la bande interdite est possible, est l'isolant peut devenir un semi-conducteur et, là, les phénomènes peuvent devenir très complexes, et nous devons ici les laisser de côté.

1.5 les trois types de phénomènes photoélectriques dans les solides

On distingue l'effet photoélectrique externe (émission - arrachement - d'électrons appelés photo-électrons, par des cristaux sous l'effet d'absorption de photons) et l'effet photoélectrique interne qui se réduit en deux sous-cas (dû au changement de la répartition par états à l'intérieur du cristal).

1.5.1 L'effet photoélectrique externe

Dans les métaux "usuels" (ou conducteurs), l'effet photoélectrique externe est lié à l'absorption de photons par les électrons de conduction.

Dans les isolants (et les semi-conducteurs) ce même effet est lié à celle par les électrons dans la bande de valence, aux impuretés et aux états de surface. En dessous d'un seuil de pulsation limite (dépendant d'un grand nombre de paramètres - actuellement), dite aussi limite rouge , l'énergie absorbée est inférieure au travail de sortie des photoélectrons, et il n'y a pas d'effet photoélectrique.

La caractéristique spectrale j d'une surface émettrice (rapport du nombre de photoélectrons émis au nombre de photons absorbés) est d'ailleurs corrélée avec le coefficient de réflexion R. Voir la courbe infrarouge pour l'or.

1.5.2 L'effet photoélectrique interne

Cet effet peut se produire dans les diélectriques (et les semi-conducteurs). Les conséquences connues en sont :

Les transitions quantiques électroniques qui donnent naissance à cet effet interne sont multiples. On peut distinguer des passages :

Les quasi-particules mises en jeu dans ces transitions sont principalement des phonons.

Dans un cas isotrope, et dans le cas de porteurs de charge qui sont des électrons et des trous, la conductivité électrique peut s'écrire : avec :

La contribution des photons à la conductivité peut introduire des variations (notation habituelle par le signe ) dans l'une ou l'autre des quantités u ou n, ainsi que l'on peut le voir en prenant la différentielle totale de l'expression ci-dessus. La conséquence est une variation positive de la conductivité dans les phénomènes expérimentaux jusqu'ici rencontrés par les physiciens, c'est pourquoi l'on parle de photoconductivité. Deux cas schématisés peuvent se produire :

1.6 Une définition de travail : "l'antiphotoconductivité"

Cela nous permet en fait d'aborder enfin le problème du nom de l'effet physique s'exprimant lors d'interaction OVNI conduction électrique, et dans le seul contexte électromagnétique envisagé ici.

Au vu de ce que nous venons d'examiner ci avant, la définition est presque évidente, à savoir :

Effet d'ANTIPHOTOCONDUCTIVITÉ

()

Qu'avons-nous rencontré comme effets photoélectriques précédemment qui nous permettent d'envisager leurs "antiphénomènes "?

Comme nous l'avons déjà dit, cela ne semble rien résoudre que de donner des noms, mais de toute façon, il faut bien le faire (avant... ou après !). On pourrait aussi, suivant les dénominations créées et usitées de "magnétorésistance" etc...., suivre le même chemin. Seulement, des notions telles que photorésistance de mobilité ou de concentration ont un aspect quelque peu obscur. Songeant aussi en outre à ce que l'on demande sur la qualité du titre d'un article scientifique (concision, mots-clefs, synthétisme,...), nous garderons actuellement les deux définitions précédentes sur l'antiphotoconductivité, qui serviront par la suite sans ambiguïté.

Pour terminer, rappelons, à la lumière schématique des rappels qui ont été faits sur ces phénomènes de transitions quantiques dues à des absorptions par des solides, qu'il ne serait pas inutile, dans le futur, d'examiner en détail les processus possibles de retour à l'état initial des conducteurs électriques après la cessation de l'interaction "OVNI". Il peut s'y trouver des phénomènes transitoires de réémission indirecte (phosphorescence), de transitions radiatives ou non radiatives, etc.... sans parler d'effets physiologiques consécutifs possibles sur les témoins.

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