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1 - ÉTATS ÉLECTRONIQUES DE SURFACE

2 - TRANSPORT ÉLECTRONIQUE 2D : CONDUCTION DANS LES ÉTATS DE SURFACE DES SEMI-CONDUCTEURS

3 - CONFINEMENT QUANTIQUE DES ÉTATS DE SURFACE

4 - CONCLUSIONS

Article de référence | Réf : AF3718 v1

États électroniques de surface
Propriétés électroniques des surfaces solides - États électroniques de surface des métaux et semi-conducteurs

Auteur(s) : Jean-Marc THEMLIN

Date de publication : 10 janv. 2012

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RÉSUMÉ

La physique des surfaces et des interfaces tient une grande place dans le développement de matériaux nouveaux. Les phénomènes macroscopiques et les propriétés spécifiques à la surface, comme la tension superficielle, les forces d'adhésion, la réactivité chimique, découlent de la structure électronique des solides. Les grands progrès technologiques en matière de microscopies et de photoémission permettent de nos jours d’observer l’atome seul et d’appréhender finement la nature des états et des transports électroniques. Ces approches sont d’autant plus vraies dans le cas des surfaces bidimensionnelles ordonnées et périodiques des métaux et des semi-conducteurs. De plus, la puissance actuelle des processeurs permet de simuler avec pertinence le comportement quantique des électrons au sein de la matière et en surface.

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ABSTRACT

The physics of surfaces and interfaces plays a great role in the development of new materials. The macroscopic phenomena and the properties specific to surfaces such as superficial tensions, adhesion forces and chemical reactivity derive from the electronic structure of solids. Massive technological improvements in terms of microscopy and of photoemissions currently enable the observation of single atoms and refine our knowledge of electronic states and transportation. This is notably true regarding the two-dimensional periodically structured surfaces of metals and semiconductors. Furthermore, the current power of processors enables the accurate simulation of the quantic behaviour of electrons within the matter and on surfaces.

Auteur(s)

  • Jean-Marc THEMLIN : Docteur en sciences physiques - Professeur à Aix-Marseille Université - Chercheur à l'IM2NP – Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence – UMR CNRS 6242

INTRODUCTION

La plupart des propriétés physico-chimiques des matériaux solides, qu'elles soient électriques, magnétiques, optiques, thermiques, mais aussi leur structure cristalline d'équilibre dérivent de leur structure électronique, qui décrit la répartition des niveaux d'énergie des électrons dans le solide. Les techniques modernes de calcul des structures électroniques sont généralement basées sur des solides monocristallins infinis dans les trois dimensions, alors que tout solide réel est nécessairement délimité par une surface. Or, à la surface d'un solide, l'environnement d'un atome n'est pas le même que dans le volume, ne serait-ce que parce que les atomes à la lisière du solide (c'est-à-dire les atomes de la première couche atomique, à l'interface solide-vide ou solide-atmosphère) n'ont pas le même nombre de premiers voisins que dans le volume. Lors de la création de la surface, une partie des liaisons chimiques des atomes surfaciques doivent être brisées, ce qui coûte une certaine énergie (la tension superficielle). La structure électronique au voisinage de la surface se démarque donc plus ou moins nettement des propriétés volumiques. Même une surface idéale terminant un volume tronqué (les atomes de la surface restant aux mêmes positions qu'ils soient ou non en lisière) peut posséder des états électroniques spécifiques (les états de surface) et manifester des effets multi-électroniques différents du volume. Ce changement de la structure électronique locale est à l'origine de phénomènes macroscopiques et de propriétés spécifiques à la surface, comme l'énergie de surface, les forces d'adhésion, la réactivité chimique...

Dans le premier opus de ce triple dossier consacré aux propriétés électroniques des surfaces des solides [AF 3 716], nous avons introduit les concepts généraux qui permettent de décrire la structure électronique des solides et de leurs surfaces, donné quelques éléments de la structure cristallographique des surfaces, et décrit la répartition macroscopique des charges dans la région péri-superficielle des métaux et des semi-conducteurs. Nous avons ensuite décrit les méthodes expérimentales qui permettent de sonder les propriétés électroniques des surfaces [AF 3 717]. Nous aborderons ici la nature des états électroniques des surfaces bidimensionnelles ordonnées et périodiques, en donnant quelques exemples concrets de surfaces typiques pour les métaux et les semi-conducteurs. Les deux dernières sections 2 et 3 sont dévolues au transport électronique bidimensionnel et au confinement des états électroniques.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af3718


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1. États électroniques de surface

L'investigation des états électroniques de surface a une longue histoire. Leur existence fut d'abord postulée théoriquement dans les années 1930 par I. Tamm , puis par W. Shockley  qui mirent en évidence des états électroniques spécifiques appelés « états de surface », avec un maximum d'amplitude près de la lisière et une décroissance exponentielle asymptotique dans le vide et à l'intérieur du solide. La technique de photoémission résolue angulairement permit de confirmer leur existence et d'étudier leurs propriétés de plus en plus finement, au rythme de l'amélioration des dispositifs et des paradigmes d'interprétation des résultats.

1.1 États et résonances de surface

Les états de surface sont des états liés confinés perpendiculairement à la surface, des états de Bloch bidimensionnels, complètement délocalisés le long de la surface et caractérisés par k //  , leur vecteur d'onde 2D parallèle à la surface, qui prend ses valeurs dans la première zone de Brillouin de surface (voir encadré Zones de Brillouin 3D et 2D). L'existence d'une décroissance exponentielle de l'amplitude des états électroniques localisés n'est possible que si ceux-ci ne peuvent pas se coupler avec des états de volume existants, soit qu'ils n'ont pas la même énergie ou qu'ils sont de symétrie différente. Cette condition est nécessairement remplie dans la bande interdite des isolants et semi-conducteurs, mais les métaux ont également des états de surface. En effet, le nombre quantique qui caractérise et découle de la symétrie de translation parallèle à la surface est le vecteur d'onde k //   des états électroniques 2D, qui parcourt la première zone de Brillouin (2D) de la surface (voir encadré Zones de Brillouin 3D et 2D).

Zones de Brillouin 3D et 2D

Le théorème...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - TAMM (I.) -   *  -  Physik. Zeits. Sowjetunion, 1, p. 733 (1932).

  • (2) - SHOCKLEY (W.) -   *  -  Phys. Rev., 56, p. 317 (1939).

  • (3) - HASEGAWA (S.), TONG (X.), TAKEDA (S.), SATO (N.), NAGAO (T.) -   Structures and electronic transport on silicon surfaces.  -  Prog. Surf. Sci., 60, p. 89 (1999).

  • (4) - IBACH (H.A.) -   Physics of surfaces and interfaces.  -  Springer, Berlin (2006).

  • (5) - BECHSTEDT (F.) -   Principles of surface physics.  -  Springer-Verlag, Berlin Heidelberg (2003).

  • (6) - ECHENIQUE (P.M.), BERNDT (R.), CHULKOV (E.V.), FAUSTER (Th.), GOLDMANN (A.), HÖFER (U.) -   Decay of electronic excitations at metal surfaces.  -  Surface Science Reports, 52 (2004).

  • ...

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