Concepts de calcul de la structure électronique des solides
Surface des solides - Propriétés électroniques

La science des matériaux a toujours été une préoccupation majeure de notre humanité. Parmi les différents états de la matière (gaz, liquide, solide), l’état solide, et plus particulièrement l’état solide cristallisé, a procuré très tôt aux scientifiques un large champ d’investigations, aboutissant à de fructueux résultats.

En effet, le milieu cristallin, caractérisé par la répétition périodique et ordonnée d’un motif identique constitué d’ions, d’atomes ou de molécules, présente alors des propriétés de symétrie intéressantes dans l’espace (symétrie du réseau cristallin). Ces propriétés de symétrie permettent une simplification relative de la compréhension des phénomènes collectifs dans le milieu cristallin et aussi une modélisation plus aisée de ses propriétés physiques. L’illustration de ces avantages peut être trouvée à la fois dans les études de structure cristallographique (article Cristallographie géométrique Cristallographie géométrique dans la présente rubrique) et de structure électronique (article Structure électronique des solides Structure électronique des solides dans la présente rubrique).

Cependant, tout solide est terminé par une surface qui délimite son volume. Le rôle de cette surface est primordial puisqu’elle régit les interactions du milieu environnant avec le solide. Elle est d’autant plus importante lorsque le rapport surface / volume d’un matériau donné est grand. C’est le cas par exemple des agrégats, des petites particules constituées de quelques atomes métalliques utilisées en catalyse, des couches ultraminces utilisées en revêtement optique, en couche de passivation ou de protection, en microélectronique, etc.

Or, la surface d’un solide présente un arrangement du motif d’ions, d’atomes ou de molécules sérieusement perturbé par rapport à l’arrangement périodique situé à l’intérieur de la masse du solide. De plus, suivant la direction perpendiculaire à la surface, on assiste à une perte de symétrie de translation. Les propriétés physiques de la surface d’un cristal se trouvent alors fortement modifiées comparées aux propriétés volumiques. Cette modification concerne à la fois la structure cristallographique (article Surface des solides. Physisorption. Chimisorption. Ségrégation [A 244]) et la structure électronique de surface qui fait l’objet de cet article.

La compréhension des propriétés électroniques de surface exige une bonne connaissance des structures de bande d’énergie d’un solide massif qui n’est pas généralement aisée à acquérir pour des lecteurs non spécialistes. Nous rappellerons dans cet exposé, quand cela sera nécessaire, les résultats essentiels acquis sur un solide volumique, en les justifiant et aussi souvent que possible avec plus d’arguments phénoménologiques que de développements des calculs sophistiqués de la mécanique quantique, qui risquent à notre avis de déborder rapidement le cadre de ce traité. Pour plus de détails, nous renvoyons le lecteur aux articles de Mécanique quantique Mécanique quantique, de Cristallographie géométrique Cristallographie géométrique et de Structure électronique des solides Structure électronique des solides.