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Auteur(s)
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Jean-Marc GAY : Docteur ès Sciences - Chargé de recherche – Centre de recherche sur les mécanismes de la croissance cristalline CNRS – Marseille Luminy
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les surfaces des solides constituent aujourd’hui des formes de la matière condensée qui peuvent présenter un intérêt technologique de première importance autant dans le domaine de l’électronique, de l’optique ou du magnétisme, que dans celui de l’adhésion ou de la tribologie, ou bien de la catalyse. La structure particulière des surfaces solides mérite d’être précisément contrôlée pour une bonne compréhension des phénomènes qui s’y produisent. Le terme de structure est ici considéré dans un sens large et inclut autant la cristallographie de surface que la morphologie à une échelle micrométrique et submicrométrique. Le but de cet article est de présenter les principaux effets structuraux que l’on rencontre à la surface des matériaux solides. Le lecteur se reportera pour les notions de cristallographie de volume ou de surface aux articles spécialisés de ce traité. De même, les techniques expérimentales utilisées dans les études structurales de surface seront mentionnées ici par l’usage que l’on peut en faire et leur intérêt ; le lecteur trouvera le principe de ces techniques dans les articles qui leur sont consacrés dans le traité Analyse et Caractérisation.
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Structures atomiques des surfaces
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3. Morphologie de la surface d’un solide
Les moyens d’obtenir une surface solide sont divers, allant de la fracture, du clivage ou de l’érosion, jusqu’à la formation par un processus de croissance cristalline, autour d’un germe ou par dépôt sur un substrat. Suivant les conditions thermodynamiques (température, pression, flux...), la surface formée peut apparaître dans un état d’équilibre stable ou métastable, ou dans un état hors d’équilibre.
3.1 Faces d’équilibre d’un cristal
Un système physique est dit en équilibre thermodynamique lorsque le potentiel chimique est uniforme en tout point de ce système. Localement, les atomes participent à des fluctuations dont les temps caractéristiques d’évolution sont tels que seule se dégage une configuration moyenne qui correspond à un état d’équilibre entre les processus antagonistes de condensation-évaporation, adsorption-désorption au niveau des échanges entre une surface solide et sa pression de vapeur. La morphologie ou forme macroscopique d’équilibre de la surface d’un matériau solide peut être dans une première approche générale prédite par la thermodynamique qui requiert que l’énergie libre de surface soit minimale. Celle-ci intègre un terme dit d’excès d’énergie de surface ou tension de surface γ qui correspond au travail de formation d’une surface unitaire à volume, température et potentiel chimique constants. Si la tension de surface γ est isotrope, c’est-à-dire indépendante de l’orientation cristallographique de la surface solide, l’état d’énergie libre est donné par une surface sphérique, surface d’aire minimale. En fait, γ varie suivant l’orientation cristallographique de la surface, et passe par des minimums locaux singuliers à l’origine des surfaces d’équilibre présentant des facettes d’orientation cristalline bien définie. Une étude de la morphologie d’équilibre d’une surface solide requiert donc une connaissance détaillée de la tension de surface γ , et notamment de sa dépendance orientationnelle γ
.
La figure 1a montre le principe du diagramme de Wulff, ou γ ‐graphe. C’est un diagramme polaire...
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Morphologie de la surface d’un solide
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Reports on progress in Physics. - Vol. 57, 10 Institute of Physics Publishing (1994).
-
(2) - Surface science. - Vol. 299/300, Elsevier Science, North Holland (1994).
-
(3) - Le journal du CNRS. - Numéro 65 (1995).
-
(4) - Clefs, - revue trimestrielle du Commissariat à l’Énergie Atomique, numéro 23 (1992).
-
(5) - MONCH (W.) - Semiconductor surfaces and interfaces. - Springer Series in Surface Sciences-Springer (1995).
-
(6) - Structure and dynamics of surfaces II. - Éd. W. Schommers et P. von Blanckenhagen, Topics in current physics. Springer-Verlag (1987).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Cristallographie géométrique.,
-
Radiocristallographie.
-
Microscopie à sonde locale.
-
Microscopie électronique à balayage.
-
Microscopie électronique en transmission.
-
Spectroscopie des électrons Auger.
-
...
ANNEXES
Livres et revues
Surface segregation, related phenomena. - Éd. P. A. Dowben et A. Miller, CRC Press (1990).
Surfaces et interfaces of solids. - Éd. H. Lüth, Springer-Verlag (1993).
Les perspectives ouvertes en nanotechnologie par manipulation atomique sont décrites par
BALL (P.) - GARWIN (L.) - * - Nature 355, p. 761 (1992).
ZEPPENFELD (P.) - EIGLER (D.) - * - La Recherche 241, p. 360 (1992).
GREY (F.) - * - Advanced Materials, 5, p. 704 (1993).
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