SURFACE PHÉNOMÈNES DE

Propriétés électroniques

Tout comme la structure géométrique, la structure électronique de surface d'un solide est différente de celle du volume. En fait, les deux structures sont intimement liées, car l'énergie de surface dépend de l'agencement électronique.

La distribution électronique en surface introduit un moment dipolaire qui modifie le travail de sortie des électrons. Pour la surface uniforme d'un conducteur, le travail est représenté par la différence de potentiel entre le niveau de Fermi E_F (le potentiel électrochimique des électrons à l'intérieur du solide) et le niveau du vide proche de la surface, à l'intérieur du matériau et à une distance telle que la force image soit devenue négligeable. L'émission thermoïonique d'électrons suit la loi de Richardson-Dushman :

où i est la densité de courant maximale (saturation) émise par le matériau dans un champ faible à la température T ; r, le coefficient de réflexion des électrons à la surface pour un champ appliqué nul ; A est une constante universelle égale à :

Le travail de sortie Φ est une grandeur physique qui est très sensible à l' adsorption d'atomes étrangers sur la surface. Sa variation est donnée par la relation :

où μ est le moment dipolaire d'un atome adsorbé ; n_a, la densité par unité de surface d'atomes adsorbés ; n_s, la densité correspondant à une monocouche complète et α la polarisabilité de l'adsorbat. Pour n_a≃ n_s, ΔΦ est de l'ordre du volt. Par exemple, pour un tiers de monocouche de césium adsorbé sur le tungstène, le travail de sortie du tungstène est abaissé d'environ 2 volts. Cela permet d'obtenir une émission électronique importante à des températures nettement plus basses que pour le tungstène pur, augmentant ainsi la longévité du matériau utilisé (par exemple, un filament émetteur d'électrons dans un tube de télévision).

Microscope à effet tunnel à balayage - crédits : Encyclopædia Universalis France — Microscope à effet tunnel à balayage
Encyclopædia Universalis France

Lorsqu'on rapproche deux surfaces conductrices, il s'établit entre elles une barrière de potentiel qui s'oppose au passage d'un courant d'électrons de 1 vers 2. Cette barrière est approximativement :

Si l'on applique un champ électrique entre 1 et 2, les électrons peuvent passer par effet tunnel, et la densité de courant i est donnée par la relation :

où d est la distance entre les deux surfaces et :

si d est exprimé en nm et ΔΦ en eV. Cet effet tunnel, connu depuis longtemps comme l'une des conséquences de la théorie quantique de la matière, est à la base d'une découverte récente dans le domaine des procédés d'analyse des surfaces, la microscopie à effet tunnel à balayage, par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, Prix Nobel de physique en 1986. Pour comprendre toute la valeur de cette technique, il suffit de se rendre compte, en appliquant la formule (8), qu'une variation de distance de 0,1 nanomètres entre les deux surfaces, pour un ΔΦ typique de 4eV, conduit à une variation de i d'un facteur de l'ordre de dix. Dans les dispositifs expérimentaux, on déplace une pointe métallique très fine (diamètre ≃ 100 nm) sur la surface à étudier. En fait, le courant tunnel se produit entre la surface et un défaut microscopique, à l'échelle atomique, de la pointe. Des dispositifs techniques très élaborés permettent une résolution spatiale latérale de l'ordre du nanomètre pour visualiser les atomes de surface. Malgré quelques difficultés d'interprétation des images obtenues, ce procédé s'avère très prometteur, comme l'a montré sa contribution à la résolution de la structure 7 × 7 de la face (111) du silicium, entre autres.

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Écrit par

Jean-François JOANNY : docteur ès sciences, chargé de recherche au C.N.R.S.
Jean SUZANNE : docteur ès sciences, professeur de physique

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Réarrangements des atomes à la surface d'un cristal - crédits : Encyclopædia Universalis France — Réarrangements des atomes à la surface d'un cristal

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