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1 - APPROCHE CRISTALLOGRAPHIQUE ET GÉOMÉTRIQUE D’UNE SURFACE

2 - APPROCHE PHYSIQUE D’UNE SURFACE

3 - APPROCHE THERMODYNAMIQUE ET ÉNERGÉTIQUE D’UNE SURFACE

4 - SURFACES INDUSTRIELLES ET LEUR CARACTÉRISATION PRATIQUE

Article de référence | Réf : M1425 v2

Approche cristallographique et géométrique d’une surface
Approche scientifique des surfaces. Caractérisation et propriétés

Auteur(s) : Gérard BÉRANGER, Henri MAZILLE

Date de publication : 10 mars 2005

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RÉSUMÉ

Suivant l’échelle retenue, nanométrique, microscopique ou macroscopique, la caractérisation des surfaces sera différente. Elle reste malgré tout définie comme une interface, partie externe d’un solide avec  par exemple un gaz, un milieu aqueux, une phase condensée ou un lubrifiant. Cet article est consacré aux différentes approches permettant d’aborder ma notion de surface : cristallographique, physique, thermodynamique. Est également traitée le cas des surfaces industrielles et leur caractérisation pratique.

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Auteur(s)

  • Gérard BÉRANGER : Professeur à l’Université de Technologie de Compiègne (UTC) - Membre de l’Académie des Technologies

  • Henri MAZILLE : Professeur Émérite à l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA)

INTRODUCTION

Il existe différentes façons d’appréhender les surfaces, par exemple en termes d’échelle ou de propreté. Mais on peut aussi distinguer les surfaces modèles des surfaces industrielles, donc réelles. Les caractéristiques correspondantes ne seront pas nécessairement les mêmes. Si le physicien du solide va s’intéresser à la structure électronique des atomes de surface et observer celle-ci à l’échelle nanométrique, l’ingénieur et le technicien vont regarder la surface comme une empreinte de l’outil qui a permis de l’obtenir ou de la conditionner. L’échelle de l’observation ne sera pas la même : de nanométrique voire microscopique dans le premier cas, elle sera méso- et le plus souvent macroscopique dans le second [9] [10].

Quelle que soit la discipline, la surface est communément définie comme la partie ou la limite externe d’un solide. Compte tenu du fait que tout matériau est généralement utilisé dans un environnement donné (air, gaz, milieu aqueux, phase condensée, lubrifiant, etc.), la surface doit être considérée comme une interface : solide – gaz, solide – liquide, voire solide – solide. Dans ce contexte, compte tenu des profils de composition ou de caractéristiques dans la zone voisine de la surface, on introduit même la notion d’interphase, ce qui permet d’introduire celle de propriétés adaptatives (gradient d’indices de réfraction par exemple).

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-m1425


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1. Approche cristallographique et géométrique d’une surface

Si on considère un matériau cristallin, donc avec un arrangement périodique des atomes, la surface introduit une discontinuité dans celui-ci. Dans le cas d’une structure cubique centrée (celle d’un acier ferritique par exemple), si on « coupe » le cristal par un plan {100} passant par le sommet commun à huit cubes adjacents, on s’aperçoit que le nombre de coordinence N c (nombre de plus proches voisins qui, dans notre cas, sont au centre de ces huit cubes) passe de huit à quatre (figure 1). Pour rétablir l’équilibre des champs de force auxquels ils sont soumis, les atomes de la surface nouvellement créée, vont avoir tendance à modifier les liaisons avec leurs plus proches voisins soit en surface, soit dans le volume sous-jacent, soit encore en échangeant de nouvelles liaisons avec des atomes, des molécules ou des ions de l’environnement ; cela explique la réactivité des atomes de surface, qui est donc fonction de « l’orientation » de cette surface. Nous en donnerons quelques exemples par la suite.

Si la surface est faiblement inclinée par rapport à une surface dite « singulière » comme celle citée précédemment, elle sera constituée de larges terrasses de surface singulière et de petites marches, souvent monoatomiques. Lorsque la surface singulière est d’indice simple et que les marches sont peu nombreuses, une telle surface est dite « vicinale ». La distance entre les marches d’une surface vicinale diminue quand la différence d’orientation entre la surface vicinale et la surface singulière augmente. Quand les marches deviennent très proches les unes des autres et que leur nombre est important, il devient difficile de parler de terrasses et on a une surface générale ; suivant la position des atomes sur cette surface, leur nombre de proches voisins ne sera pas le même. Une approche plus fine consiste à prendre aussi en considération les deuxièmes plus proches voisins : ainsi dans le cas de la figure 1, un atome d’un plan de coupe {100} perdra non seulement quatre des huit plus proches voisins, mais aussi un des six deuxièmes voisins, comme d’ailleurs tout atome du plan situé juste en dessous de la surface.

Ce modèle est simpliste, mais il a le mérite de montrer aisément qu’une surface « modèle » propre aura toujours une certaine rugosité à l’échelle atomique. On pourrait s’attendre,...

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