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RÉSUMÉ
Suivant l’échelle retenue, nanométrique, microscopique ou macroscopique, la caractérisation des surfaces sera différente. Elle reste malgré tout définie comme une interface, partie externe d’un solide avec par exemple un gaz, un milieu aqueux, une phase condensée ou un lubrifiant. Cet article est consacré aux différentes approches permettant d’aborder ma notion de surface : cristallographique, physique, thermodynamique. Est également traitée le cas des surfaces industrielles et leur caractérisation pratique.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Gérard BÉRANGER : Professeur à l’Université de Technologie de Compiègne (UTC) - Membre de l’Académie des Technologies
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Henri MAZILLE : Professeur Émérite à l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA)
INTRODUCTION
Il existe différentes façons d’appréhender les surfaces, par exemple en termes d’échelle ou de propreté. Mais on peut aussi distinguer les surfaces modèles des surfaces industrielles, donc réelles. Les caractéristiques correspondantes ne seront pas nécessairement les mêmes. Si le physicien du solide va s’intéresser à la structure électronique des atomes de surface et observer celle-ci à l’échelle nanométrique, l’ingénieur et le technicien vont regarder la surface comme une empreinte de l’outil qui a permis de l’obtenir ou de la conditionner. L’échelle de l’observation ne sera pas la même : de nanométrique voire microscopique dans le premier cas, elle sera méso- et le plus souvent macroscopique dans le second [9] [10].
Quelle que soit la discipline, la surface est communément définie comme la partie ou la limite externe d’un solide. Compte tenu du fait que tout matériau est généralement utilisé dans un environnement donné (air, gaz, milieu aqueux, phase condensée, lubrifiant, etc.), la surface doit être considérée comme une interface : solide – gaz, solide – liquide, voire solide – solide. Dans ce contexte, compte tenu des profils de composition ou de caractéristiques dans la zone voisine de la surface, on introduit même la notion d’interphase, ce qui permet d’introduire celle de propriétés adaptatives (gradient d’indices de réfraction par exemple).
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VERSIONS
- Version archivée 1 de oct. 1983 par Jacques GALLAND
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Approche thermodynamique et énergétique d’une surface2. Approche physique d’une surface
Ce que l’on vient de décrire pour les métaux, les céramiques et plus généralement les composés ioniques, s’applique donc aussi aux oxydes. Or, tout métal (sauf l’or) est recouvert au contact de l’air d’un film d’oxyde (voire d’hydroxyde) dit naturel ; ce film est très mince puisque son épaisseur, qui varie selon la nature du substrat, est de quelques unités à une dizaine de nanomètres. Il en résulte que, suivant l’orientation de la surface, les premiers plans présentent des caractéristiques électrostatiques variables.
La structure électronique des atomes est perturbée au voisinage d’une surface, en raison de la rupture des liaisons (liaisons pendantes) et des distorsions structurales. Même pour une surface propre et idéale, ne comportant aucun défaut de structure ou de composition (non stœchiométrie), la forme des bandes d’énergie est perturbée par rapport à celle du volume ; ainsi, le partage des électrons entre les anions et les cations est modifié et la bande interdite (« gap ») est réduite. Ces changements sont d’autant plus marqués que le nombre de liaisons rompues est élevé. On peut en déduire que les surfaces idéalement planes sont peu réactives ; quant aux marches, aux crans, voire aux lacunes (figure 3), tous ces défauts constituent des sites réactifs pour l’oxygène. L’étude des défauts de surface présente donc un grand intérêt, non seulement pour connaître l’état électronique, mais aussi pour en déduire la réactivité vis-à-vis du milieu environnant. C’est ce qui explique que de nombreuses études expérimentales ont été réalisées, tant en catalyse qu’en corrosion, à l’aide de différentes techniques comme la photoémission X et ultraviolette (XPS et UPS) et la spectroscopie de pertes d’électrons. Des approches par simulation numérique et par dynamique moléculaire ont aussi contribué à ce domaine, en particulier pour déterminer la forme des densités d’état. Ainsi, à titre d’exemple, on peut citer des travaux réalisés sur des plans (110) de dioxyde de titane TiO2-x , faiblement sous stœchiométrique en oxygène,...
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