SURFACE PHÉNOMÈNES DE

Interaction avec les atomes

Lorsqu'un atome de gaz rare (ou une molécule neutre) s'approche de la surface d'un solide, il subit une attraction qui résulte des forces de dispersion, ou forces de Van der Waals.

Pour un solide semi-infini comportant une surface plane, l'interaction atome-surface à la distance z de la surface s'écrit (pour une distance z supérieure au diamètre de l'atome) :

L'atome peut être adsorbé sur la surface, ou être réémis avec ou sans perte d'énergie. Le premier phénomène est étudié dans l'article adsorption. Le phénomène de diffusion par la surface conduit à une technique d'analyse très sensible à l'état d'ordre, ou de désordre, et de contamination de la surface.

Lorsqu'on bombarde une surface avec des atomes neutres de masse m, monocinétiques, de vitesse v, on peut obtenir un phénomène de diffraction, lorsque la longueur d'onde associée λ = h/mv est de l'ordre de grandeur des distances interatomiques. Cela est obtenu avec des atomes tels que l'hélium, l'hydrogène ou le deutérium atomiques ou moléculaires, pour des énergies thermiques de l'ordre de 10 à 100 meV ; c'est aussi le domaine d'énergie des phonons qui peuvent ainsi être étudiés par l'analyse du spectre diffracté. On peut également avoir accès aux états liés du potentiel d'interaction atome-surface par le phénomène de résonance.

Interactions avec les électrons

Un électron interagit avec une surface de manière élastique ou inélastique.

Le premier type d'interaction donne lieu à la diffraction. Si l'énergie des électrons est inférieure à 500 eV, c'est la diffraction d'électrons lents. Les électrons ne pénètrent que de quelques couches atomiques et l'on obtient une information sur la structure de la surface. Si les électrons ont une énergie supérieure à 10 keV, c'est la diffraction classique d'électrons rapides qui renseigne sur la structure en volume. Cependant, si l'incidence est rasante, on obtient encore des informations sur la surface. Cette dernière technique est utilisée lorsqu'on veut savoir si un dépôt sur une surface se fait de manière uniforme, couche après couche, ou s'il y a formation de cristallites. Dans le premier cas, les figures de diffraction sont des lignes modulées, alors que, dans le second cas, ce sont des taches.

Les interactions inélastiques sont de multiple nature et sont indiquées sur le spectre de perte d'énergie représenté sur la figure. Proches du pic élastique se trouvent les pertes dues aux plasmons de surface et de volume et aux transitions interbandes. Plus loin se trouvent les pertes par transitions Auger et, beaucoup plus loin, se trouvent les électrons secondaires qui ont été éjectés du solide lors de l'interaction d'un électron diffusé inélastiquement par un atome. Les pics de transition Auger méritent une attention particulière, car ils mettent en jeu un processus à trois électrons, l'énergie de l'électron réémis étant caractéristique de l'espèce chimique excitée. Cette énergie se situe dans le domaine de 20 à 1 000 eV (énergie des électrons incidents 0,5-3 keV). Ainsi, l'étude des électrons Auger est une technique puissante d'analyse chimique de la surface, car la profondeur d'échappement des électrons n'est que de quelques couches atomiques, à ces énergies. Les pics de perte, proches du pic élastique (plasmons, transitions interbandes), permettent d'avoir accès aux états électroniques de surface des métaux et des semi-conducteurs.

Interactions avec les photons

Sous l'impact d'un photon de fréquence ν, un électron peut être émis par le matériau (cf. effet photoélectrique), à condition que l'énergie du photon[...]