A Propriétés spécifiques des surfaces

1 L'énergie superficielle

À l'intérieur d'une phase condensée, les interactions entre atomes ou molécules sont à courte portée. Ainsi, un atome placé à l'intérieur d'une phase interagit avec tous ses voisins, avec une énergie de cohésion $u<0$. Mais les atomes placés au voisinage de la surface, eux, ne vont pas interagir de la même manière avec les atomes situés de l'autre côté de la surface, et se situent donc à un état d'énergie différente.

Explicitons ceci sur un exemple simple :

Considérons ce cube, constitué de $N^3$ atomes cubiques, avec $$N=\frac{L}{a}$$.

On modélise les interactions par une énergie de cohésion de paire $\varepsilon<0$ entre deux atomes dont les faces se touchent. L'énergie totale du système est :

$$E = 3N^2(N-1)\varepsilon = 3\frac{\varepsilon L^3}{a^3}-3\frac{\varepsilon L^2}{a^2}$$ (1.1)

$$= \frac{3\varepsilon}{a^3}V-\frac{\varepsilon}{2a^2}S$$ (1.2)

On a donc un terme de volume, négatif, assorti d'un terme de surface d'énergie positive. Nous verrons plus tard pourquoi cette énergie est appelée tension de surface.

2 Reconstruction de surface

Afin de minimiser l'énergie de surface, et de limiter le nombre de liaisons pendantes, les atomes ou les molécules s'assemblent d'une manière différente de l'intérieur du cristal. On appelle ce phénomène la reconstruction.

3 Adsorption

La surface tend à concentrer les impuretés ; ceci est principalement du à son caractère bidimensionnel. Un très faible nombre d'impuretés en volume sera suffisant pour occulter totalement une surface. Ainsi, l'étude des surfaces ne pourra se faire que sous ultra-vide (UHV pour Ultra-High Vacuum).

4 Autres propriétés

Les propriétés des surfaces sont innombrables, on pourra cependant noter :

• leurs propriétés électroniques,
• les modes spécifiques de surface,
• la catalyse,
• l'adhésion (toute surface tendant à adhérer à une autre surface)...