Les surfaces solides : concepts et méthodes , livre ebook

Stéphane Andrieu et Pierre Muller
Les surfaces solides : concepts et méthodes
Copyright

© EDP Sciences, Les Ulis, 2005
ISBN papier : 9782868837738 ISBN numérique : 9782759829965
Composition numérique : 2023
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Présentation

La physique des surfaces est une science à la fois ancienne et récente. Ancienne parce que les premiers concepts ayant permis d’étudier les surfaces datent du début du XXe siècle. Récente parce que l’étude approfondie et systématique des surfaces n’a démarré qu’à partir des années 1960, pour finalement connaître un essor extrêmement important aujourd’hui, en plein règne des nanosciences. Cet ouvrage offre une large vision de la physique des surfaces solides, depuis les concepts thermodynamiques de base, jusqu’à la surface considérée comme lieu d’échange entre un cristal et son environnement.
Une large part de l’ouvrage est consacrée à l’étude des propriétés spécifiques de surface ainsi qu’aux méthodes expérimentales d’étude des surfaces depuis les techniques de laboratoire les plus répandues jusqu’à celles utilisant le rayonnement synchrotron. Une attention particulière est portée aux problèmes d’épitaxie. Les approximations et modèles utilisés permettent une approche analytique claire aidant le lecteur à se faire une idée physique malgré la complexité de certains problèmes étudiés. Des exercices de difficultés variables complètent le cours. Ce livre est destiné aux étudiants de Maîtrise, de 3e cycle de physique ou de chimie de la matière condensée, et aux ingénieurs.
Table des matières Avant-propos Introduction 1 ère période : Réalisation de l importance des surfaces en physique 2 e période : Thermodynamique et structure des surfaces, définition des concepts 3 e période : Surface et croissance, définition des concepts 4 e période : La révolution, l invention de l ultra-vide 5 e période : Le développement des sondes de surface 6 e période : La révolution de la résolution atomique Première partie. Le concept de surface Présentation Chapitre 1. Description thermodynamique d une surface 1.1. Cas des fluides : travail de création de surface 1.2. Cas des solides cristallisés 1.3. Détermination expérimentale et théorique de et s Chapitre 2. Description macroscopique d une surface cristalline 2.1. Classification des surfaces 2.2. Évolution d une surface avec la température 2.3. Fusion de surface Chapitre 3. Structure atomique des surfaces cristallines 3.1. Groupes ponctuels et groupes d espace de surface 3.2. Relaxation et reconstructions de surface 3.3. Formations de domaines de surface Problèmes et exercices I. Évolution de l énergie de surface d un cristal avec la température ** II. Interaction électrostatique entre gradins ** III. Interaction entropique entre marches ** IV. Étude de la rugosité d une marche cristalline **(*) V. Fluctuations thermiques d une marche isolée ** VI. Théorème de Herring *** VII. Guérissage d une surface ** VIII. Surpression de Laplace dans un cristal 3D ** IX. Représentation de Herring du gamma-graphe * X. Théorème de Wulff et de Herring * XI. Fusion de surface et potentiel Van der Waals ** XII. Anisotropie de contraintes de surface ** Deuxième partie. Propriétés des surfaces Présentation Chapitre 1. Propriétés vibrationnelles 1.1. Introduction 1.2. Vibrations cristallines d une chaîne linéaire diatomique de longueur finie 1.3. Cas des cristaux tridimensionnels 1.4. Propriétés thermiques de surface Chapitre 2. Structure électronique d une surface 2.1. Densité électronique près d une surface et travail de sortie 3.2. États électroniques de surface 3.3. Magnétisme de surface Chapitre 3. Propriétés optiques 3.1. Introduction : limites de l approche classique 3.2. Au-delà de la discontinuité d indice : modèle macroscopique de Drude 3.3. Approche microscopique et non localité 3.4. Plasmons de surface Chapitre 4. Composition chimique de surface d un alliage 4.1. Phénomène de ségrégation 4.2. Description élémentaire de la ségrégation de surface 4.3. Discussion Problèmes et exercices I. Propriétés thermiques de surface ** II. Excitation d une onde de surface * III. Modèle de Sommerfeld * IV. Travail de sortie ** V. Ségrégation de surface * VI. Ondes de Rayleigh (1885) *** Troisième partie. Les moyens de caractérisation courants Présentation Chapitre 1. Surface propre et environnement ultra-vide Chapitre 2. La spectroscopie Auger 2.1. Principe général 2.2. Instrumentation : sources, détecteurs, modes de détection 2.3. Utilisation quantitative : volume détecté, quantités relatives Chapitre 3. La spectroscopie de photoélectrons excités par rayons X : l XPS 3.1. Principe général 3.2. Physique des processus d excitation 3.3. Instrumentation 3.4. Mesure quantitative Chapitre 4. Techniques de diffraction de surface LEED et RHEED 4.1. Principe 4.2. Diffraction sur une surface bidimensionnelle : approche simplifiée 4.3. Grandeurs caractéristiques 4.4. Instrumentation et image de diffraction en LEED 4.5. Instrumentation et image de diffraction en RHEED Chapitre 5. Techniques de microscopie de surface 5.1. Techniques dérivées de la microscopie électronique classique 5.2. Microscopies à champ proche Chapitre 6. Étude expérimentale des propriétés optiques de surface 6.1. Méthodes sensibles à la surface : réflectométrie et ellipsométrie 6.2. Vraies méthodes de surface : réflectance anisotrope et génération de fréquence somme Problèmes et exercices I. Intensité d un pic Auger * II. Composition chimique de surface en Auger ** III. Photoémission * IV. Construction d Ewald et cristal 2D * V. Diffraction RHEED et reconstruction * VI. Construction d un réseau réciproque à partir d un cliché RHEED * VII. RHEED et réseau tétragonal centré *(*) VIII. Diffraction et adsorption *(*) IX. Vanadium épitaxié sur MgO : étude STM et LEED ** X. Génération du second harmonique ** XI. Propriétés ellipsométriques d une couche diélectrique *(*) Quatrième partie. Surface et rayonnement synchrotron Présentation Chapitre 1. Principe du rayonnement synchrotron 1.1. Idées de base 1.2. Émission de rayonnement par une particule chargée 1.3. Caractéristiques du rayonnement synchrotron Chapitre 2. Interaction rayonnement - matière 2.1. Hamiltonien d un système photons + particules 2.2. Probabilité de transition, sections efficaces, diffusion 2.3. Transitions dipolaires et règles de sélection Chapitre 3. Absorption d un rayonnement et surface 3.1. L EXAFS 3.2. Le dichroïsme magnétique circulaire Chapitre 4. Diffraction des rayonnements par une surface 4.1. La diffraction de surface 4.2. Le DAFS : structure fine de diffusion anomale Problèmes et exercices I. Polarisation et poids des voisins en EXAFS * II. EXAFS sur les structures cfc et hcp ** III. Dichroïsme et moment 4f ** IV. Formes du signal dichroïque et moments orbital et de spin * V. Diffraction de surface : comparaison RX et électrons *(*) VI. Diffraction de surface et extinction *** VII. Diffraction de surface et oscillations d intensité en cours de croissance *** VIII. Facteur de diffusion anomale ** IX. Diffraction anomale ** X. DAFS pour une structure centrosymétrique *** Cinquième partie. Adsorption sur une surface Présentation Chapitre 1. Classification des interactions adsorbat/surface 1.1. Description qualitative : coefficient de collage, physisorption, chimisorption 1.2. Formalisme de la physisorption 1.3. Formalisme de la chimisorption 1.4. Physisorption ou chimisorption ? Chapitre 2. La référence : le cristal en équilibre avec sa vapeur 2.1. Potentiel chimique d un gaz monoatomique parfait 2.2. Potentiel chimique d un cristal d Einstein 2.3. Pression de vapeur saturante, suret sous-saturation 2.4. Modèle proches voisins et notion de pas répétable Chapitre 3. La surface en présence d une vapeur étrangère : phases 2D 3.1. Cas de l adsorption 3.2. Description de la désorption 3.3. Isothermes d adsorption et phases 2D 3.4. Transitions de phases bidimensionnelles Problèmes et exercices I. Variation d énergie de surface en présence d une adsorption étrangère * II. Variation des contraintes de surface en présence d une adsorption étrangère *** III. Cinétique d adsorption-désorption ** II/ Distribution de vitesse des molécules émises par une surface en équilibre avec sa vapeur III/ Distribution de vitesse de molécules traversant un cristal IV. Modèle simplifié de coefficient de collage ** V. Coefficient de collage et dissociation *** VI. Étude de la variation de l ordre d une réaction * VII. Exploitation d une isotherme * VIII. Calcul de l interaction entre une molécule et une surface ** IX. Dopage Sb de Si(111) en épitaxie par jets moléculaires ** X. Cinétique d adsorption avec désorption d ordre 2 **(*) XI. Relaxation en bord d îlots 2D ** Sixième partie. Introduction à la croissance cristalline Présentation Chapitre 1. Mécanismes de croissance sur une surface 1.1. Notion de sursaturation 1.2. Croissance d une face K 1.3. Croissance limitée par la cinétique de diffusion : cas d une face S 1.4. Croissance limitée par la nucléation 2D : cas d une face F parfaite 1.5. Croissance d une face F réelle : effet des dislocations émergentes 1.6. Remarques Chapitre 2. Croissance épitaxiale 2.1. Le concept d épitaxie 2.2. Approche énergétique des modes de croissance 2.3. Transition 2D/3D cinétique Problèmes et exercices I. Équation de Gibbs-Thomson ** II. Croissance d une face à marches en présence d un effet Schwoebel extrême ** III. Instabilités de croissance **(*) IV. Énergie d interface * V. Nucléation sur une terrasse ou en bord d