surface, propriétés de

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Présentation

surface, propriétés de, ensemble des propriétés caractérisant la surface des matériaux. La surface d'un matériau (solide ou liquide) s'étend sur une épaisseur de quelques atomes ou molécules. Elle sépare l'intérieur du matériau du milieu extérieur (le vide ou un gaz).

L'étude des surfaces n'a réellement commencé qu'au XIX^e siècle, avec le physicien et mathématicien français Pierre Simon Laplace (1749-1827). Son développement est récent et coïncide avec l'apparition des techniques nouvelles d'obtention du vide poussé et l'essor des semi-conducteurs et de la microélectronique. En effet, la compréhension des phénomènes de surface est essentielle pour ce type d'application.

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Surfaces liquides

2.1

Tension superficielle

Une aiguille à coudre, déposée délicatement à la surface de l'eau d'un récipient, flotte. Or on pourrait penser qu'elle coule, puisque le fer est plus dense que l'eau. Ce phénomène s'explique par les propriétés de surface de l'eau, c'est-à-dire par le comportement des molécules constituant la couche superficielle du liquide. La cohésion d'un liquide est due aux interactions intermoléculaires que subit chaque molécule. Une molécule située au cœur du liquide est attirée par toutes ses voisines de la même manière. En moyenne, la résultante des forces agissant sur cette molécule est donc nulle. En revanche, une molécule de la surface est attirée par les molécules de l’intérieur, mais comme il n’y a pas de molécules de liquide au-dessus de la surface, cette molécule est globalement attirée vers l'intérieur du liquide. Toutes les molécules de surface étant soumises à cette même force, la couche superficielle agit comme une fine membrane élastique, qui a tendance à se rétrécir et à se tordre. Cette tension de la surface libre d'un liquide est appelée tension superficielle ; c'est elle qui maintient l'aiguille à la surface de l'eau. Au cours de l’évaporation, l’énergie thermique sert à vaincre les forces d’attraction qui retiennent les molécules à la surface, leur permettant ainsi de s’échapper avec une énergie cinétique supérieure.

La tension superficielle a tendance à rétrécir au maximum la surface libre d'un liquide. Supposons que, pour accroître l'aire de la surface libre d'un liquide d'une quantité dS, il faille produire une force dF, alors le coefficient dF/dS exprime mathématiquement la valeur de la tension superficielle σ du liquide. La tension superficielle σ est mesurée en newton par mètre (N/m). Dans le cas de la surface libre de l'eau, on a : σ = 7 × 10^-4 N/m à 20 °C.

Par ailleurs, la tension superficielle est à l’origine de la forme sphérique des gouttes. En effet, les molécules de surface étant soumises à une force non nulle, leur énergie est supérieure à celle des molécules du volume. Pour une quantité donnée de liquide, plus le nombre de molécules en surface est élevé, plus l’énergie de l’ensemble est élevée. Or tout système physique cherche à minimiser son énergie (voir stabilité) et pour un volume donné de liquide, la forme conférant la surface minimale est la sphère ; c’est donc la forme qu’adopte spontanément tout volume de liquide s’il n’est soumis à aucune autre force (par exemple dans l’espace).

2.2

Mouillage

Si l’on dépose une goutte de liquide sur une surface solide, elle est soumise à trois interactions : la tension superficielle qui tend à la rassembler sur elle-même, son poids qui a tendance à l’aplatir, et les interactions chimiques entre le liquide et la surface du solide. Le mouillage d'un solide par un liquide est caractérisé par le pouvoir d'étalement du liquide. Dans le cas d'un mouillage partiel, le liquide forme une calotte sphérique caractérisée par son angle de contact. Si le mouillage est total, le liquide s'étale totalement pour former un film mince. L'angle de contact est alors nul. En fait, le mouillage correspond au contact de trois phases. Dans l'exemple précédent, il s'agit des phases solide, liquide et gazeuse. La mouillabilité dépend de la nature chimique des trois phases. Un traitement de surface modifiant chimiquement la surface solide permet de modifier le pouvoir d'étalement des liquides : par exemple, si l’on applique une couche de substance hydrophobe à la surface d’un solide sur laquelle on place une goutte, celle-ci conserve sa forme initiale et glisse sur la surface ; c’est le principe de l’imperméabilisation.

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Surfaces solides

3.1

Structure d'une surface solide

La surface d'un solide cristallin est caractérisée par un arrangement géométrique des atomes différent de celui du volume du solide. Il se produit généralement un réarrangement des atomes en surface, comme par exemple un déplacement de ceux-ci perpendiculairement à la surface. Ce réarrangement a pour but de minimiser l'excès d'énergie engendré par la rupture des liaisons moléculaires lors de la formation de la surface. S'il se produit, en outre, un mouvement des atomes de surface parallèle à la surface, on dit que celle-ci est reconstruite. À la température du zéro absolu, la surface d’un solide est figée et peut être considérée comme une couche monoatomique parfaite. Dès que la température augmente, les atomes acquièrent une énergie thermique pouvant, par exemple, faire « sauter » un atome de la surface sur son voisin, créant ainsi une lacune dans la couche monoatomique et un atome isolé sur cette même couche. À une température suffisamment élevée, une surface solide se présente donc comme un ensemble de terrasses, de bords, de coins et de lacunes en perpétuel mouvement, à l’image de la surface d’un lac balayée par le vent. Si l’on continue d’augmenter la température, on atteint la température de fusion du solide : la surface se liquéfie. L’étude de la structure atomique des surfaces cristallines est du ressort de la cristallographie de surface (ou cristallographie 2D), qui est apparue dans les années cinquante et a développé des modèles théoriques éprouvés, ainsi que des techniques expérimentales spécifiques (en particulier des méthodes spectroscopiques).

La structure électronique de la surface d'un solide est, elle aussi, différente de sa structure électronique volumique. La théorie des bandes (voir solide, physique du) s’applique parfaitement à l’étude de ces structures électroniques de surface, qui sont aujourd’hui bien connues. Les états électroniques des surfaces ont une importance particulière dans l’industrie de la microélectronique. En effet, les puces et autres circuits intégrés sont constitués de fines couches de semi-conducteurs ne dépassant pas 100 microns (10^-4 m) d’épaisseur. La plupart des phénomènes électriques se produisent donc en surface. On comprend que l’état électronique des surfaces de ces matériaux doit être parfaitement maîtrisé afin d’obtenir les propriétés électriques recherchées.