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Propriétés électroniques des surfaces solides / Themlin, Jean-Marc in Techniques de l'ingénieur AFP, Vol. AFP2 (Trimestriel)

Public ISBD [article]  in Techniques de l'ingénieur AFP > Vol. AFP2 (Trimestriel) . - 18 p. Titre : Propriétés électroniques des surfaces solides : introduction, généralités, concepts Type de document : texte imprimé Auteurs : Themlin, Jean-Marc, Auteur Année de publication : 2008 Article en page(s) : 18 p. Note générale : Bibliogr. Langues : Français (fre) Mots-clés : Electronique  Surface  solides Résumé : Une partie significative de la communauté des physiciens se consacre à l'étude de la matière condensée, qui vise essentiellement à mesurer, prédire, expliquer les propriétés physico-chimiques des solides [KOHN (W.) - An essay on condensed matter physics in the twentieth century.] . Pour cela, il s'avère essentiel de pouvoir décrire, comprendre et modéliser le comportement des électrons dans la matière condensée. En effet, dans tout assemblage d'atomes (molécule, agrégat, solide cristallin ou amorphe), les électrons constituent la « colle » qui assure la cohésion de l'édifice atomique et qui détermine l'essentiel de ses propriétés physiques, qu'elles soient structurales, mécaniques, optiques, magnétiques ou même vibrationnelles. Ainsi, la structure d'équilibre d'un assemblage atomique est déterminée par le minimum de l'énergie électronique totale de l'ensemble de ses électrons. De même, les propriétés optiques du solide dans une large gamme d'énergies sont dominées par des transitions électroniques entre des niveaux électroniques occupés et inoccupés. Dans la plupart des solides, soumis à l'action d'un champ électrique ou électromagnétique, le transport du courant électrique implique un déplacement d'électrons. La compréhension des propriétés magnétiques, diélectriques, ferroélectriques, thermiques, ainsi que la plupart des propriétés physiques d'un solide requiert donc la connaissance détaillée de sa « structure électronique », un terme associé à la description des niveaux d'énergie des électrons dans le solide, et plus généralement à un domaine de la physique de la matière condensée dévolu aux propriétés des électrons dans les solides. Le modèle du solide infini qui néglige la surface décrit généralement très bien les propriétés globales du matériau, car elles sont le résultat des contributions individuelles de chacun des atomes du solide. Parmi ceux-ci, pour un solide macroscopique, les atomes de volume sont bien plus nombreux que ceux de sa surface. Ainsi, un cube de silicium de 1 cm de côté comprend environ 5 × 1022 atomes de volume pour seulement 4 × 1015 atomes de surface. Par conséquent, les propriétés de surface n'apparaissent généralement qu'en utilisant des techniques expérimentales particulièrement sensibles aux atomes de surface, ou en considérant des processus qui dépendent spécifiquement de ces atomes, comme la croissance cristalline, l'adsorption, l'oxydation, la corrosion, la friction ou la catalyse hétérogène, qui ne peuvent être décrits par le modèle du cristal infini. Entamée vers le milieu du vingtième siècle, le passage de la civilisation de l'acier à celle du silicium avec, en corollaire, la course à la miniaturisation a constitué un moteur important du développement de la science des surfaces. Ainsi, si la fraction d'atomes de surface est de l'ordre de 10–9 dans un madrier en acier, elle atteint 10–2 dans un transistor MOS, cellule de base d'un microprocesseur actuellement produit, et les propriétés électroniques de surface ou d'interface peuvent alors conditionner et souvent même dominer les performances de ces dispositifs. Les atomes de surface ayant moins de voisins que leurs homologues du volume, les électrons proches de la surface ne « ressentent » pas le même potentiel que dans le volume. La densité électronique locale, et par conséquent, la structure électronique et les propriétés physico-chimiques du volume sont plus ou moins profondément altérées à la surface. Par exemple, à cause des brusques variations du potentiel que subit un électron de valence au voisinage d'une surface, des états électroniques spécifiquement localisés dans cette région peuvent apparaître. On peut tout à fait concevoir, par exemple, qu'une surface d'un semi-conducteur soit métallique ! La présence d'une reconstruction de surface évite généralement l'état métallique, mais la valeur de la bande interdite ne sera pas celle du volume. Après cette brève introduction, nous allons d'abord considérer dans ce premier article les concepts généraux qui permettent de décrire la structure électronique des solides et de leurs surfaces (paragraphe 2). Après quelques éléments de la structure cristallographique des surfaces (paragraphe 3), nous décrivons la répartition macroscopique des charges dans la région périsuperficielle des métaux et des semi-conducteurs (paragraphe 4). Dans un second article [AF 3 717], nous décrirons les méthodes expérimentales qui permettent de sonder les propriétés de ces états de surface. Un troisième article [AF 3 718] sera consacré à une description des propriétés électroniques de quelques surfaces représentatives de l'état de l'art. Avertissement au lecteur Le présent article et sa suite, basés sur l'expérience et les intérêts propres de l'auteur, chercheur et enseignant, est inévitablement subjectif et partial en ce qui concerne les choix et la couverture des sujets abordés. Il est conçu comme une simple introduction, un aperçu du large champ des connaissances à propos des propriétés électroniques des surfaces solides, avec une approche pragmatique évitant autant que possible un formalisme trop ardu. Si cet aperçu s'efforce d'être pertinent à la fois en profondeur et en couverture, il ne vise pas à l'exhaustivité, renvoyant pour cela à plusieurs ouvrages spécialisés, notamment ceux cités en fin de chaque dossier. Rédigé en 2010-2011, il est condamné à être rapidement dépassé par les découvertes qui se succèdent au rythme de la progression de la connaissance. REFERENCE : AF 3 716 DEWEY : 530 Date : Juillet 2011 [article] Propriétés électroniques des surfaces solides : introduction, généralités, concepts [texte imprimé] / Themlin, Jean-Marc, Auteur . - 2008 . - 18 p. Bibliogr. Langues : Français (fre) in Techniques de l'ingénieur AFP > Vol. AFP2 (Trimestriel) . - 18 p. Mots-clés : Electronique  Surface  solides Résumé : Une partie significative de la communauté des physiciens se consacre à l'étude de la matière condensée, qui vise essentiellement à mesurer, prédire, expliquer les propriétés physico-chimiques des solides [KOHN (W.) - An essay on condensed matter physics in the twentieth century.] . Pour cela, il s'avère essentiel de pouvoir décrire, comprendre et modéliser le comportement des électrons dans la matière condensée. En effet, dans tout assemblage d'atomes (molécule, agrégat, solide cristallin ou amorphe), les électrons constituent la « colle » qui assure la cohésion de l'édifice atomique et qui détermine l'essentiel de ses propriétés physiques, qu'elles soient structurales, mécaniques, optiques, magnétiques ou même vibrationnelles. Ainsi, la structure d'équilibre d'un assemblage atomique est déterminée par le minimum de l'énergie électronique totale de l'ensemble de ses électrons. De même, les propriétés optiques du solide dans une large gamme d'énergies sont dominées par des transitions électroniques entre des niveaux électroniques occupés et inoccupés. Dans la plupart des solides, soumis à l'action d'un champ électrique ou électromagnétique, le transport du courant électrique implique un déplacement d'électrons. La compréhension des propriétés magnétiques, diélectriques, ferroélectriques, thermiques, ainsi que la plupart des propriétés physiques d'un solide requiert donc la connaissance détaillée de sa « structure électronique », un terme associé à la description des niveaux d'énergie des électrons dans le solide, et plus généralement à un domaine de la physique de la matière condensée dévolu aux propriétés des électrons dans les solides. Le modèle du solide infini qui néglige la surface décrit généralement très bien les propriétés globales du matériau, car elles sont le résultat des contributions individuelles de chacun des atomes du solide. Parmi ceux-ci, pour un solide macroscopique, les atomes de volume sont bien plus nombreux que ceux de sa surface. Ainsi, un cube de silicium de 1 cm de côté comprend environ 5 × 1022 atomes de volume pour seulement 4 × 1015 atomes de surface. Par conséquent, les propriétés de surface n'apparaissent généralement qu'en utilisant des techniques expérimentales particulièrement sensibles aux atomes de surface, ou en considérant des processus qui dépendent spécifiquement de ces atomes, comme la croissance cristalline, l'adsorption, l'oxydation, la corrosion, la friction ou la catalyse hétérogène, qui ne peuvent être décrits par le modèle du cristal infini. Entamée vers le milieu du vingtième siècle, le passage de la civilisation de l'acier à celle du silicium avec, en corollaire, la course à la miniaturisation a constitué un moteur important du développement de la science des surfaces. Ainsi, si la fraction d'atomes de surface est de l'ordre de 10–9 dans un madrier en acier, elle atteint 10–2 dans un transistor MOS, cellule de base d'un microprocesseur actuellement produit, et les propriétés électroniques de surface ou d'interface peuvent alors conditionner et souvent même dominer les performances de ces dispositifs. Les atomes de surface ayant moins de voisins que leurs homologues du volume, les électrons proches de la surface ne « ressentent » pas le même potentiel que dans le volume. La densité électronique locale, et par conséquent, la structure électronique et les propriétés physico-chimiques du volume sont plus ou moins profondément altérées à la surface. Par exemple, à cause des brusques variations du potentiel que subit un électron de valence au voisinage d'une surface, des états électroniques spécifiquement localisés dans cette région peuvent apparaître. On peut tout à fait concevoir, par exemple, qu'une surface d'un semi-conducteur soit métallique ! La présence d'une reconstruction de surface évite généralement l'état métallique, mais la valeur de la bande interdite ne sera pas celle du volume. Après cette brève introduction, nous allons d'abord considérer dans ce premier article les concepts généraux qui permettent de décrire la structure électronique des solides et de leurs surfaces (paragraphe 2). Après quelques éléments de la structure cristallographique des surfaces (paragraphe 3), nous décrivons la répartition macroscopique des charges dans la région périsuperficielle des métaux et des semi-conducteurs (paragraphe 4). Dans un second article [AF 3 717], nous décrirons les méthodes expérimentales qui permettent de sonder les propriétés de ces états de surface. Un troisième article [AF 3 718] sera consacré à une description des propriétés électroniques de quelques surfaces représentatives de l'état de l'art. Avertissement au lecteur Le présent article et sa suite, basés sur l'expérience et les intérêts propres de l'auteur, chercheur et enseignant, est inévitablement subjectif et partial en ce qui concerne les choix et la couverture des sujets abordés. Il est conçu comme une simple introduction, un aperçu du large champ des connaissances à propos des propriétés électroniques des surfaces solides, avec une approche pragmatique évitant autant que possible un formalisme trop ardu. Si cet aperçu s'efforce d'être pertinent à la fois en profondeur et en couverture, il ne vise pas à l'exhaustivité, renvoyant pour cela à plusieurs ouvrages spécialisés, notamment ceux cités en fin de chaque dossier. Rédigé en 2010-2011, il est condamné à être rapidement dépassé par les découvertes qui se succèdent au rythme de la progression de la connaissance. REFERENCE : AF 3 716 DEWEY : 530 Date : Juillet 2011

Propriétés électroniques des surfaces solides / Themlin, Jean-Marc in Techniques de l'ingénieur AFP, Vol. AFP2 (Trimestriel) 

Public ISBD [article]  in Techniques de l'ingénieur AFP > Vol. AFP2 (Trimestriel) . - 16 p. Titre : Propriétés électroniques des surfaces solides : techniques expérimentales Type de document : texte imprimé Auteurs : Themlin, Jean-Marc, Auteur Année de publication : 2008 Article en page(s) : 16 p. Note générale : Bibliogr. Langues : Français (fre) Mots-clés : Electroniques  Surfaces  solide Résumé : Depuis le début de la révolution industrielle, les surfaces des matériaux ont été d'un grand intérêt pratique, étant le siège de phénomènes importants comme la corrosion, la catalyse hétérogène, l'émission thermo-ionique des filaments des ampoules et des tubes à vide électroniques... En appliquant la théorie cinétique des gaz, on peut en effet montrer que tous les sites réactifs d'une surface propre à l'instant t0 sont visités par un atome ou une molécule de l'atmosphère ambiante en environ une seule microseconde. Les meilleurs vides accessibles étant longtemps restés de l'ordre du millibar, les surfaces étudiées étaient, à température ambiante, le plus souvent couvertes et masquées par des couches adsorbées d'atomes et de molécules de nature inconnue. En l'absence de techniques de production de vides très poussés, des surfaces atomiquement propres ne pouvaient donc se former qu'à très haute température dans les cas favorables où les adsorbats s'évaporaient. C'est ainsi que dès 1927, quelques années après que de Broglie ait formulé l'hypothèse que les particules de la matière possédaient un caractère ondulatoire, Davisson et Germer, travaillant aux laboratoires de la Bell Telephone, purent démontrer l'existence de figures de diffraction lors de la rétrodiffusion d'électrons de faible énergie par la surface d'un film de nickel. Pour cette confirmation expérimentale de la dualité onde-corpuscule, Davison reçut le prix Nobel de physique en 1937 avec Thomson, pour la découverte des « ondes électroniques ». Depuis les années 1970, des vides très poussés de l'ordre de 0,1 picobar (domaine de l'ultra-haut-vide ou UHV) sont produits de manière routinière en laboratoire, ce qui rend possible la préparation de surfaces très bien caractérisées au niveau atomique, qu'elles soient propres ou délibérément recouvertes d'un adsorbat avec une précision d'une fraction de monocouche [O'HANLON (J.F.) - An user's guide to vacuum technology.] . Avec l'avènement des microscopies à champ proche inventées par Binnig et Rohrer dans les années 1980, les physiciens ont acquis la capacité de visualiser dans l'espace direct la topographie et la structure atomique des surfaces avec une précision inférieure à l'angström. À cet outil remarquable s'ajoute toute une gamme de techniques de caractérisation des surfaces, des sondes moins locales mais tout aussi puissantes donnant accès à la composition atomique et chimique et à la structure cristalline, dont les plus connues sont la spectroscopie des électrons Auger (AES), la diffraction d'électrons lents ou rapides (LEED, RHEED), la spectroscopie des photoélectrons (UPS, XPS, XPD)... Ainsi, les dernières décades du vingtième siècle ont été les témoins d'un essor sans précédent de la science des surfaces et des interfaces entre deux phases volumiques, également stimulée par les progrès dans les techniques du vide, et matérialisés entre autres par la réalisation à l'échelle industrielle d'hétérostructures de matériaux semi-conducteurs (diodes lasers à hétérojonction, transistors MOS...) ou magnétiques (têtes de lectures GMR de disques durs) synthétisées avec une précision nanométrique. L'arrangement des atomes à la surface d'un solide de structure cristalline connue n'est généralement pas prévisible a priori. En effet, à cause des changements de la liaison chimique des atomes à la surface, des phénomènes de relaxation et de reconstruction sont généralement présents, ce qui implique que les atomes périsuperficiels sont déplacés de leur position idéale par rapport à une simple troncature du volume. Pour un cristal volumique, la diffraction des rayons X permet la détermination des structures cristallographiques de systèmes ordonnés aussi complexes que des cristaux de macromolécules comme des protéines. Malheureusement, la diffusion des rayons X avec des longueurs d'onde de l'ordre de l'angström par la matière n'est pas assez forte pour obtenir une sensibilité suffisante à la surface des solides. Il n'y a donc pas une technique expérimentale simple et évidente qui donne un accès direct et univoque à l'ensemble de la structure atomique détaillée des couches périsuperficielles, et il est généralement nécessaire de combiner les informations fournies par plusieurs techniques liées à la diffraction d'un rayonnement ou de particules par la couche périsuperficielle. Ainsi, l'analyse dynamique des taches de diffraction LEED, la diffusion d'un faisceau atomique, la diffraction des photoélectrons, la diffraction des rayons X en incidence rasante, les images STM ou AFM... donnent des informations croisées qui permettent, dans la plupart des cas, de préciser au moins partiellement les caractéristiques structurales essentielles des surfaces des principaux solides. Ces informations permettent d'accélérer la convergence des méthodes de calcul de structure électronique. En effet, le fait de disposer d'une information structurale, même approchée, facilite la comparaison entre la structure électronique simulée et des résultats expérimentaux comme des spectres de photoémission ou des images STM, qui contiennent une information sur la densité locale des états électroniques. En minimisant les forces sur les atomes, des méthodes hybrides combinant les simulations DFT et la dynamique moléculaire [CAR (R.), PARRINELLO (M.) - *] permettent de déterminer quel est l'état fondamental du système, soit la configuration d'équilibre de plus faible énergie totale. Les résultats expérimentaux portant sur la structure de surface permettent d'accélérer le temps de calcul en limitant les structures d'essai à des points de départ suffisamment réalistes. Signalons également que pour reproduire finement et expliquer en détail les résultats expérimentaux, et en particulier la dispersion des états inoccupés, les simulations devraient également tenir compte des effets multiélectroniques qui, selon les cas, influencent plus ou moins fortement les prédictions théoriques. Après cette brève introduction, nous allons donner ici un aperçu des principales méthodes expérimentales qui permettent de sonder les propriétés électroniques des surfaces. Cet article fait suite à [AF 3 716] qui introduit les concepts généraux permettant de décrire la structure électronique des solides et de leurs surfaces, et qui donne quelques éléments de la structure cristallographique des surfaces et de la répartition macroscopique des charges dans la région périsuperficielle des métaux et des semi-conducteurs. Un troisième article [AF 3 718] (à paraître) sera consacré à une description des propriétés électroniques de quelques surfaces représentatives de l'état de l'art. REFERENCE : AF 3 717 DEWEY : 530 Date : Juillet 2011 En ligne : http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/sciences-fondamentales-th8/ [...] [article] Propriétés électroniques des surfaces solides : techniques expérimentales [texte imprimé] / Themlin, Jean-Marc, Auteur . - 2008 . - 16 p. Bibliogr. Langues : Français (fre) in Techniques de l'ingénieur AFP > Vol. AFP2 (Trimestriel) . - 16 p. Mots-clés : Electroniques  Surfaces  solide Résumé : Depuis le début de la révolution industrielle, les surfaces des matériaux ont été d'un grand intérêt pratique, étant le siège de phénomènes importants comme la corrosion, la catalyse hétérogène, l'émission thermo-ionique des filaments des ampoules et des tubes à vide électroniques... En appliquant la théorie cinétique des gaz, on peut en effet montrer que tous les sites réactifs d'une surface propre à l'instant t0 sont visités par un atome ou une molécule de l'atmosphère ambiante en environ une seule microseconde. Les meilleurs vides accessibles étant longtemps restés de l'ordre du millibar, les surfaces étudiées étaient, à température ambiante, le plus souvent couvertes et masquées par des couches adsorbées d'atomes et de molécules de nature inconnue. En l'absence de techniques de production de vides très poussés, des surfaces atomiquement propres ne pouvaient donc se former qu'à très haute température dans les cas favorables où les adsorbats s'évaporaient. C'est ainsi que dès 1927, quelques années après que de Broglie ait formulé l'hypothèse que les particules de la matière possédaient un caractère ondulatoire, Davisson et Germer, travaillant aux laboratoires de la Bell Telephone, purent démontrer l'existence de figures de diffraction lors de la rétrodiffusion d'électrons de faible énergie par la surface d'un film de nickel. Pour cette confirmation expérimentale de la dualité onde-corpuscule, Davison reçut le prix Nobel de physique en 1937 avec Thomson, pour la découverte des « ondes électroniques ». Depuis les années 1970, des vides très poussés de l'ordre de 0,1 picobar (domaine de l'ultra-haut-vide ou UHV) sont produits de manière routinière en laboratoire, ce qui rend possible la préparation de surfaces très bien caractérisées au niveau atomique, qu'elles soient propres ou délibérément recouvertes d'un adsorbat avec une précision d'une fraction de monocouche [O'HANLON (J.F.) - An user's guide to vacuum technology.] . Avec l'avènement des microscopies à champ proche inventées par Binnig et Rohrer dans les années 1980, les physiciens ont acquis la capacité de visualiser dans l'espace direct la topographie et la structure atomique des surfaces avec une précision inférieure à l'angström. À cet outil remarquable s'ajoute toute une gamme de techniques de caractérisation des surfaces, des sondes moins locales mais tout aussi puissantes donnant accès à la composition atomique et chimique et à la structure cristalline, dont les plus connues sont la spectroscopie des électrons Auger (AES), la diffraction d'électrons lents ou rapides (LEED, RHEED), la spectroscopie des photoélectrons (UPS, XPS, XPD)... Ainsi, les dernières décades du vingtième siècle ont été les témoins d'un essor sans précédent de la science des surfaces et des interfaces entre deux phases volumiques, également stimulée par les progrès dans les techniques du vide, et matérialisés entre autres par la réalisation à l'échelle industrielle d'hétérostructures de matériaux semi-conducteurs (diodes lasers à hétérojonction, transistors MOS...) ou magnétiques (têtes de lectures GMR de disques durs) synthétisées avec une précision nanométrique. L'arrangement des atomes à la surface d'un solide de structure cristalline connue n'est généralement pas prévisible a priori. En effet, à cause des changements de la liaison chimique des atomes à la surface, des phénomènes de relaxation et de reconstruction sont généralement présents, ce qui implique que les atomes périsuperficiels sont déplacés de leur position idéale par rapport à une simple troncature du volume. Pour un cristal volumique, la diffraction des rayons X permet la détermination des structures cristallographiques de systèmes ordonnés aussi complexes que des cristaux de macromolécules comme des protéines. Malheureusement, la diffusion des rayons X avec des longueurs d'onde de l'ordre de l'angström par la matière n'est pas assez forte pour obtenir une sensibilité suffisante à la surface des solides. Il n'y a donc pas une technique expérimentale simple et évidente qui donne un accès direct et univoque à l'ensemble de la structure atomique détaillée des couches périsuperficielles, et il est généralement nécessaire de combiner les informations fournies par plusieurs techniques liées à la diffraction d'un rayonnement ou de particules par la couche périsuperficielle. Ainsi, l'analyse dynamique des taches de diffraction LEED, la diffusion d'un faisceau atomique, la diffraction des photoélectrons, la diffraction des rayons X en incidence rasante, les images STM ou AFM... donnent des informations croisées qui permettent, dans la plupart des cas, de préciser au moins partiellement les caractéristiques structurales essentielles des surfaces des principaux solides. Ces informations permettent d'accélérer la convergence des méthodes de calcul de structure électronique. En effet, le fait de disposer d'une information structurale, même approchée, facilite la comparaison entre la structure électronique simulée et des résultats expérimentaux comme des spectres de photoémission ou des images STM, qui contiennent une information sur la densité locale des états électroniques. En minimisant les forces sur les atomes, des méthodes hybrides combinant les simulations DFT et la dynamique moléculaire [CAR (R.), PARRINELLO (M.) - *] permettent de déterminer quel est l'état fondamental du système, soit la configuration d'équilibre de plus faible énergie totale. Les résultats expérimentaux portant sur la structure de surface permettent d'accélérer le temps de calcul en limitant les structures d'essai à des points de départ suffisamment réalistes. Signalons également que pour reproduire finement et expliquer en détail les résultats expérimentaux, et en particulier la dispersion des états inoccupés, les simulations devraient également tenir compte des effets multiélectroniques qui, selon les cas, influencent plus ou moins fortement les prédictions théoriques. Après cette brève introduction, nous allons donner ici un aperçu des principales méthodes expérimentales qui permettent de sonder les propriétés électroniques des surfaces. Cet article fait suite à [AF 3 716] qui introduit les concepts généraux permettant de décrire la structure électronique des solides et de leurs surfaces, et qui donne quelques éléments de la structure cristallographique des surfaces et de la répartition macroscopique des charges dans la région périsuperficielle des métaux et des semi-conducteurs. Un troisième article [AF 3 718] (à paraître) sera consacré à une description des propriétés électroniques de quelques surfaces représentatives de l'état de l'art. REFERENCE : AF 3 717 DEWEY : 530 Date : Juillet 2011 En ligne : http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/sciences-fondamentales-th8/ [...]