SURFACE PHÉNOMÈNES DE

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Structure des surfaces, phases bidimensionnelles

Surfaces cristallines

L'arrangement géométrique des atomes à la surface d'un solide cristallin est, en général, différent de ce qu'il est en volume. Cela peut être expliqué, qualitativement, par la nécessité de minimiser l'excès d'énergie superficielle produit par la coupure de liaisons, lors de la création de la surface. Ce réarrangement peut être peu important et se manifeste par un léger déplacement des atomes perpendiculairement à la surface. Cette relaxation de surface est soit positive (augmentation de la distance), soit négative (diminution de la distance), selon le matériau et le type de face du cristal. Ainsi, dans le cas des métaux, les faces les plus rugueuses [cfc(110), cc(100) et cc(111)] présentent des relaxations négatives de l'ordre de − 3 à − 15 p. 100 [de − 9 à − 15 p. 100 pour Al(110), de − 6 à − 10 p. 100 pour Ag(110), de − 5 à − 11 p. 100 pour W(100)]. On rencontre aussi de nombreux cas où le réarrangement est très important. Il produit non seulement un déplacement des atomes perpendiculairement à la surface, mais aussi dans la direction parallèle à celle-ci : on dit alors que la surface est reconstruite. Cette reconstruction produit une structure totalement différente de celle d'un plan du volume. Un exemple typique est celui de la structure 7 × 7 de la face (111) du silicium, matériau de base de l'industrie de la microélectronique : dans de grandes conditions de propreté, la structure, précisée par de nombreuses techniques (en particulier par les travaux récents de microscopie tunnel à balayage), présente, dans les deux directions, une maille sept fois plus grande que celle d'un plan (111) du volume. La reconstruction de surface met en jeu plusieurs couches atomiques, au moins trois dans le cas du silicium (111), et dépend très sensiblement du degré de propreté de la surface. L'incorporation d'atomes étrangers peut changer la nature de la reconstruction et même la supprimer.

Réarrangements des atomes à la surface d'un cristal

Dessin : Réarrangements des atomes à la surface d'un cristal

Réarrangements des atomes à la surface d'un cristal. Face (111) d'un monocristal de silicium « reconstruite ». Cette reconstruction met en jeu les trois premières couches de surface, selon le modèle proposé par K. Takayanagi. Les points noirs correspondent aux positions normales des... 

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Surfaces rugueuses, préfusion de surface

Une surface réelle contient toujours un certain nombre de défauts à température non nulle : marches, crans, lacunes ou atomes auto-adsorbés. Lorsque la densité de défauts croît avec la température, leur énergie de formation diminue : on peut s'attendre à une augmentation rapide de leur nombre et donc à une diminution correspondante de la perfection de la structure de surface. Le profil de densité à l'interface varie de manière continue, en s'étalant progressivement lorsque la température augmente. Cette transition dans la morphologie de surface s'appelle la transition rugueuse.

L'existence de la transition rugueuse peut être montrée expérimentalement par la disparition de facettes sur un cristal. Ce dernier peut en présenter plusieurs, associées aux différentes orientations des facettes. En général, elles sont très difficiles à observer : les temps d'équilibre sont très longs à cause de l'extrême lenteur du déplacement des atomes vers leurs positions d'équilibre (aux températures où a lieu la transition). Le seul système qui a permis cette observation à l'équilibre est l'hélium, pour lequel la très grande mobilité des atomes est particulièrement favorable à cette étude. D'autre part, de nombreuses expériences intéressantes ont également été réalisées sur les métaux, mais hors équilibre.

La transition rugueuse n'est qu'une étape vers la perte d'ordre d'une surface cristalline. Elle apporte un désordre dans la direction perpendiculaire, rendant la frontière diffuse entre le matériau et le milieu extérieur ; mais il persiste cependant un ordre dans la position des atomes parallèlement à la surface. Si l'on augmente encore la température T jusqu'au voisinage du point de fusion Tt du matériau, on constate, dans certains cas, que la surface fond avant le volume : il s'agit du phénomène de préfusion de surface. Il se forme alors une couche liquide en surface dont l'épaisseur augmente lorsque l'écart Tt − T diminue. Les observations expérimentales sur la glace, sur la face (110) du plomb et sur les films de néon et d'argon adsorbés sur graphite (0001), ou encore de méthane adsorbés sur la face (100) de l'oxyde de magnésium, montrent que la première couche de surface peut fondre à des températures 20 p. 100 plus basses que le point triple du matériau mas [...]

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Réarrangements des atomes à la surface d'un cristal

Réarrangements des atomes à la surface d'un cristal
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Microscope à effet tunnel à balayage

Microscope à effet tunnel à balayage
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Interactions inélastiques

Interactions inélastiques
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Pour citer l’article

Jean-François JOANNY, Jean SUZANNE, « SURFACE PHÉNOMÈNES DE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/phenomenes-de-surface/