J. Phys. France 33, 371-381 (1972)
DOI: 10.1051/jphys:01972003304037100

The anomalous infra-red absorption of alkali metals and collective oscillations in small metal particles

A. Meessen

Département de Physique de l'Etat Solide, Institut de Physique Théorique, Parc d'Arenberg, Université Catholique de Louvain, Belgique

Abstract
It is shown that the resonance like absorption peaks, which were discovered by Mayer for bulk samples of Na and K, and which could not be explained in terms of the bulk properties of the metal, are actually due to a surface roughness effect. The ellipsometric method leads, indeed, to a systematic error when the metal surface is covered by a dense distribution of small metal particles. The apparent optical constants depend on the optical constants of the bulk metal and on the effective optical constants of the thin granular film. Such films can also be prepared by evaporating the metal on a transparent substrate, and their optical properties can be described in terms of two types of collective oscillations within the metal particles. Payan's results for thin granular films of Na and K, as well as Mayer's results, correspond to an excitation of collective oscillations parallel to the plane of the substrate. This resonance absorption is particularly strong, when it occurs in the spectral region where the absorption of the bulk metal is very small, as it happened to be for these alkali metals.

Résumé
Les maxima qui ont été découverts par Mayer dans le spectre d'absorption d'échantillons massifs de Na et de K, et qui n'ont pas pu être expliqués par les propriétés de volume de ces métaux, résultent en réalité d'un effet de rugosité de surface. La méthode ellipsométrique conduit, en effet, à une erreur systématique quand le métal est recouvert d'une distribution assez dense de petits grains métalliques. Les constantes optiques apparentes dépendent des constantes optiques du métal massif et des constantes effectives de la couche granulaire. De tels films minces peuvent être préparés également par évaporation du métal sur un support transparent, et leurs propriétés optiques peuvent être décrites en fonction de deux types d'oscillations collectives dans ces grains. Les résultats de Payan pour des couches granulaires de Na et de K, ainsi que les résultats de Mayer, correspondent à l'excitation d'oscillations collectives, parallèlement à la surface du support. L'absorption de résonance est particulièrement intense, quand elle se situe dans le domaine spectral où l'absorption du métal massif est très faible, comme cela se présentait pour ces métaux alcalins.

PACS
7145 - Collective effects.
7820C - Optical constants (including refractive index, complex dielectric constant, absorption, reflection and transmission coefficients, emissivity).

Key words
crystal electron states -- granular structure -- light absorption -- optical constants -- optical properties of substances -- potassium -- sodium -- spectra of inorganic solids -- surface phenomena