Universalis
Abonnez-vous à Universalis pour 1 euro

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 EF (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 ; na, la densité par unité de surface d'atomes adsorbés ; ns, la densité correspondant à une monocouche complète et α la polarisabilité de l'adsorbat. Pour na ≃ ns, 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.

La suite de cet article est accessible aux abonnés

  • Des contenus variés, complets et fiables
  • Accessible sur tous les écrans
  • Pas de publicité

Découvrez nos offres

Déjà abonné ? Se connecter

Écrit par

Carte mentale
Élargissez votre recherche dans Universalis

Classification

Pour citer cet article

Jean-François JOANNY et Jean SUZANNE. SURFACE PHÉNOMÈNES DE [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Krypton - crédits : Encyclopædia Universalis France

Krypton

Encyclopædia Universalis France

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

Réarrangements des atomes à la surface d'un cristal

Encyclopædia Universalis France

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

Microscope à effet tunnel à balayage

Encyclopædia Universalis France

Afficher les 4 médias de l'article SURFACE PHÉNOMÈNES DE

Autres références

  • ADSORPTION

    • Écrit par Xavier DUVAL
    • 4 819 mots
    • 2 médias
    Isothermes d'adsorption des gaz par les solides - crédits : Encyclopædia Universalis France

    L'adsorption est le phénomène qui consiste en l'accumulation d'une substance à l'interface entre deux phases (gaz-solide, gaz-liquide, liquide-solide, liquide-liquide, solide-solide). Il a son origine dans les forces d'attraction intermoléculaires, de nature et d'intensité variées, qui sont responsables...

  • AUGER PIERRE VICTOR (1899-1993)

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 693 mots

    Fils d'un universitaire — son père, Victor Auger, était professeur de chimie à la Sorbonne —, le physicien Pierre Auger sut faire succéder à une brillante carrière de chercheur une intense activité de direction scientifique et administrative dont les fruits sont aujourd'hui internationalement reconnus....

  • CATALYSE

    • Écrit par Henri Jean-Marie DOU, Jean-Eugène GERMAIN
    • 8 394 mots
    • 7 médias
    ...l'explication dite « physique » de la catalyse par l' adsorption dans les pores du solide, qui provoquerait une concentration locale élevée de réactifs. Nous savons maintenant que les phénomènes d'adsorption sont complexes, et qu'il faut distinguer la rétention des molécules à la surface de tous les solides...

  • CHIMIE - La chimie aujourd'hui

    • Écrit par Pierre LASZLO
    • 10 856 mots
    • 3 médias
    Linus Pauling - crédits : Tom Hollyman/ Science source/ SPL
    ...des réactants le plus souvent en phase gazeuse. Ainsi, les molécules gazeuses diffusent jusqu'à ce qu'elles s'adsorbent (s'accrochent) à des atomes à la surface du catalyseur. On assiste alors à l'affaiblissement ou à la rupture de liaisons chimiques dans les molécules des réactants. Une réorganisation...
  • Afficher les 17 références

Voir aussi

Abonnez-vous à Universalis pour 1 euro

Rejoignez-nous

Inscrivez-vous à notre newsletter