Approche cristallographique et géométrique d’une surface
Approche scientifique des surfaces. Caractérisation et propriétés

Si on considère un matériau cristallin, donc avec un arrangement périodique des atomes, la surface introduit une discontinuité dans celui-ci. Dans le cas d’une structure cubique centrée (celle d’un acier ferritique par exemple), si on « coupe » le cristal par un plan {100} passant par le sommet commun à huit cubes adjacents, on s’aperçoit que le nombre de coordinence N _c (nombre de plus proches voisins qui, dans notre cas, sont au centre de ces huit cubes) passe de huit à quatre (figure 1). Pour rétablir l’équilibre des champs de force auxquels ils sont soumis, les atomes de la surface nouvellement créée, vont avoir tendance à modifier les liaisons avec leurs plus proches voisins soit en surface, soit dans le volume sous-jacent, soit encore en échangeant de nouvelles liaisons avec des atomes, des molécules ou des ions de l’environnement ; cela explique la réactivité des atomes de surface, qui est donc fonction de « l’orientation » de cette surface. Nous en donnerons quelques exemples par la suite.

Si la surface est faiblement inclinée par rapport à une surface dite « singulière » comme celle citée précédemment, elle sera constituée de larges terrasses de surface singulière et de petites marches, souvent monoatomiques. Lorsque la surface singulière est d’indice simple et que les marches sont peu nombreuses, une telle surface est dite « vicinale ». La distance entre les marches d’une surface vicinale diminue quand la différence d’orientation entre la surface vicinale et la surface singulière augmente. Quand les marches deviennent très proches les unes des autres et que leur nombre est important, il devient difficile de parler de terrasses et on a une surface générale ; suivant la position des atomes sur cette surface, leur nombre de proches voisins ne sera pas le même. Une approche plus fine consiste à prendre aussi en considération les deuxièmes plus proches voisins : ainsi dans le cas de la figure 1, un atome d’un plan de coupe {100} perdra non seulement quatre des huit plus proches voisins, mais aussi un des six deuxièmes voisins, comme d’ailleurs tout atome du plan situé juste en dessous de la surface.

Ce modèle est simpliste, mais il a le mérite de montrer aisément qu’une surface « modèle » propre aura toujours une certaine rugosité à l’échelle atomique. On pourrait s’attendre,...