Science des surfaces

La science des surfaces est une section de la science des matériaux consacrée à l'étude des phénomènes physiques et chimiques qui se produisent à l'interface  entre deux phases ou entre une phase et le vide. Les propriétés de la matière en surface sont en effet distinctes de celles du cœur des matériaux (bulk). Par exemple, la coordinence des atomes en surface est inférieure à celle des atomes du reste du matériau ce qui induit une réactivité particulière de ces derniers.

Parmi les applications de la science des surfaces, on peut citer :

• la catalyse hétérogène ;
• les puces à ADN ainsi que les détecteurs de produits par interaction avec une surface de manière générale ;
• les matériaux biocompatibles ;
• la préparation de composants pour la microélectronique^[1].

Historique

La science des surfaces s'est développée au début du XX^e siècle avec le développement des applications industrielles de la catalyse hétérogène, notamment la production de l'ammoniac par le procédé Haber ou d'hydrogénation par les travaux de Paul Sabatier. Afin de comprendre les phénomènes à la surface du catalyseur, il était important de connaître les interactions entre la surface d'un solide et des molécules pouvant s'y adsorber.

Les travaux d'Irving Langmuir permettent de d'apporter des méthodes pour comprendre le fonctionnement de cette catalyse et de poser les fondements de la science des surfaces^[2]. En particulier, l'isotherme de Langmuir, qu'il publie en 1916, relie le recouvrement d'une surface en adsorbats avec les conditions de pression fixées dans l'atmosphère environnante.

Le développement de techniques de caractérisation de la surface permettra ensuite d'affiner la connaissance de la surface et de son interaction avec son environnement. En particulier, la microscopie à effet tunnel, inventée en 1981, permet de sonder la morphologie et les propriétés électroniques de surfaces conductrices et semi-conductrices avec une résolution de la taille de l'atome et donc d'avoir une image assez fidèle de la structure de la surface.

Chimie des surfaces

La chimie des surfaces est l'étude des interactions entre des espèces chimiques et une surface.

Physique des surfaces

La physique des surfaces étudie les changements physiques qui se produisent aux interfaces. La physique des surfaces étudie entre autres :

• les reconstructions superficielles ;
• les plasmons et phonons de surfaces ;
• l'épitaxie ;
• l'émission électronique (en) (en anglais : Surface-enhanced Raman scattering) ;
• l'effet tunnel des électrons ;
• la spintronique ;
• la formation de nanostructures sur les surfaces.

Analyse des surfaces

Lʼanalyse des surfaces recouvre les diverses méthodes expérimentales permettant dʼétudier les phénomènes chimiques et physiques susmentionnés. Le tableau ci-dessous donne un aperçu de quelques méthodes.

Aperçu de techniques de caractérisation en analyse des surfaces

Catégorie	Méthode	Application	Notes
Microscopie (à sonde distante)	Microscopie optique	Motifs et objets en surface ; interfaces	Limitation de la résolution latérale par la longueur dʼonde ; faible profondeur de champ.
	Microscopie électronique à balayage (MEB)	Motifs et objets en surface ; interfaces	Sous vide ; haute résolution et bonne profondeur de champ.
	Microscopie électronique en transmission (MET)	Arrangement atomique, y compris aux interfaces	Très haute résolution ; échantillon en lame mince. Détermination également de la structure cristalline.
Microscopie à sonde locale	Microscopie à force atomique (AFM)	Topographie de la surface	Résolution dans le plan ~10 nm ; résolution verticale atomique.
	Microscopie à effet tunnel (STM)	Topographie de la surface & propriétés électroniques	Résolution atomique possible dans toutes les directions, avec des informations sur les propriétés électroniques (surface isolante, semi-conductrice ou conductrice).
Propriétés électroniques
	Spectroscopie de photoluminescence	Détermination des propriétés électroniques	Mesure de la bande interdite et des niveaux donneurs et accepteurs dans les couches minces et surfaces semiconductrices.
	Spectroscopie des transitoires de niveau profond (DTLS) (en)	Semiconducteurs : défauts de bande	Détermination des niveaux profonds dans la bande interdite, dus notamment aux impuretés ou aux défauts ponctuels dans la structure cristalline.
	Spectrométrie photoélectronique UV	Niveaux d'énergie	Détermination des niveaux d'énergie de la couche de valence, des liaisons chimiques, des orbitales moléculaires.
Structure cristalline	Diffraction dʼélectrons de haute énergie en incidence rasante (RHEED)	Structure cristalline en surface	Lʼincidence rasante limite la profondeur dʼanalyse aux premiers plans atomiques seulement ; méthode souvent utilisée in situ en épitaxie par jet moléculaire.
Analyse élémentaire et chimique	Spectrométrie de mass des ions secondaires (SIMS)	Analyse élémentaire	Très sensible en composition (ppm). Méthode localement destructive (enlèvement dʼatomes par pulvérisation), avec une profondeur limitée aux premières monocouches. En poursuivant lʼérosion par bombardement ionique, possibilité de réaliser des profils en profondeur de la composition.
	Spectrométrie photoélectronique X (XPS / ESCA)	Analyse élémentaire & des liaisons chimique	Méthode semi-quantitative, applicable aux éléments dès le lithium. Profondeur dʼanalyse de l'ordre de quelques nm. Information sur la nature de la liaison chimique des atomes analysés (décalage des pics).
	Spectrométrie Auger (AES)	Analyse élémentaire	Méthode sensible aux éléments légers à partir du lithium. Très faible profondeur dʼanalyse (nm).
	Spectroscopie de rayons X à dispersion dʼénergie (EDS/EDX)	Analyse élémentaire	Analyse possible des éléments à partir du bore, mais sensibilité pour les éléments légers faible, augmentant pour les éléments lourds. Profondeur dʼanalyse variable selon la matière et lʼénergie du faisceau incident, assez grande, de lʼordre du µm.

Articles connexes

• Ingénierie des surfaces
• Surfaces frottantes
• Couche mince
• Agnes Pockels
• Sylvie Roke