Conductibilité électrique de Cu₂O

II. Résultats expérimentaux

Electric conductibility of Cu₂O

Laboratoire de Spectroscopie et d’Optique du Corps Solide (Groupe de Recherche n° 15 du C. N. R. S.) Institut de Physique, Université Louis-Pasteur, 5, Rue de l’Université — F. 67 - Strasbourg, France.

Résumé

Une étude systématique faite sur une cinquantaine de monocristaux entre — 40° C et 250° C montre que la conductibilité électrique de Cu₂O est très fortement influencée par des facteurs extrinsèques (inhomogénéités, effet de photomémoire) et par les modifications de l’état interne intervenant au cours du refroidissement consécutif à la synthèse ou à l’occasion de traitements thermiques ultérieurs. Les premiers ayant été éliminés dans une large mesure, la phénoménologie des secondes a été étudiée en soumettant les échantillons à des recuits sous vide entre 350° C et 850° C. Les différents états du matériau (recuit ou non) sont caractérisés par des résistivités internes ρ_υ dont la variation en fonction de 1/T est généralement exponentielle. Les valeurs de ρ_υ à température ordinaire s’étagent entre 10³ et 10¹³ Ω·cm et les énergies d’activation correspondantes E entre 0,1 et 1 eV. La mise en évidence d’une relation quasi-continue E=f[log ρ_υ (20° C)] valable pour tous les spécimens étudiés (recuits ou non) remet en question les interprétations des processus de conduction dans la cuprite et soulève des problèmes théoriques, qui, au vu des résultats fragmentaires connus pour d’autres oxydes, dépassent probablement le cas particulier de Cu₂O.

Les propriétés électriques de la surface sont en général très différentes de celles du volume. Elles peuvent différer considérablement selon que le spécimen a été en contact avec l’air ou dégazé par chauffage sous vide à une température supérieure à 60° C. A température fixe, le rapport des résistivités superficielles relatives aux deux états de la surface augmente avec la résistivité interne ρ_υ jusqu’à des valeurs de l’ordre de 10⁶. Dans certaines conditions la présence de couches de surface, soit plus conductrices, soit plus résistantes que le volume, peut fausser les mesures de résistivité interne. Les mesures, sans ou avec anneau de garde, sur des spécimens en contact avec l’air donnent des résultats identiques tant que ρ_υ [math] 5·10⁷ ohms·cm.

Abstract

A systematic investigation, performed on about fifty single crystals between — 40° C and 250° C, shows that the electric conductibility of Cu₂O is strongly influenced by extrinsic factors (inhomogeneities, photomemory effect) and by modifícations of the internal state, which may occur during the cooling after the synthesis or by subsequent thermal treatments. It has been possible to eliminate to a large extent the extrinsic factors. The phenomenology of the internal modifications was then studied by annealing the samples, at different temperatures between 3500 C and 850° C, in vacuum. The different states of the material (before or after annealing) are characterized by bulk resistivities ρ_υ depending, in general, exponentially on 1/T. The values of ρ_υ at room temperature range from 10³ to about 10¹³ Ω·cm, whereas the corresponding activation energies E lie between 0.1 and 1 eV. The existence of a quasi-continuous E f[log ρ_υ (20° C)] relation, valid for all the samples investigated (annealed or not) contradicts the interpretations of the conductibility processes in Cu₂O. This raises theoretical problems, which, in view of the fragmentary results known for some other oxides, are probably more general than the particular case of cuprous oxide.

The electric properties of the surface are in general very different from those of the bulk. They may differ considerably if the sample has been in contact with air or heated in high vacuum to temperatures above 60° C. At fixed temperature the ratio of the surface resistivities, with regard to the two states of the surface, increases, when the bulk resistivity ρ_υ becomes higher, to values of about 10⁶. In certain cases the existence at the surface of high or low conductivity layers may alter the bulk resistivity measurements. Measurements performed by means of a guard ring technique or a two terminal method, on samples in contact with air, lead to the same results as long as ρ_υ [math] 5·10⁷ ohms·cm.