Structure des surfaces
Propriétés électroniques des surfaces solides - Introduction, généralités, concepts

Une problématique centrale de la physique des surfaces actuelle concerne la compréhension détaillée de la structure électronique des surfaces. Au niveau « théorique », les simulations se basent sur une approche générale similaire à celle du volume, où l'on utilise l'approximation du potentiel effectif pour résoudre une équation de Schrödinger décrivant un électron proche de la surface, soumis à l'action d'un potentiel ou champ électrique moyen dû aux cœurs ioniques et à l'ensemble des autres électrons considérés comme un « nuage électronique ». Par rapport à la structure électronique volumique, le problème est singulièrement plus compliqué pour la surface, car on ne peut plus s'appuyer sur la symétrie de translation tridimensionnelle, celle-ci n'existant que dans le plan de la surface. Perpendiculairement à celle-ci, la périodicité est brisée, et la composante perpendiculaire k_⊥ du vecteur d'onde k de l'électron n'est plus un nombre quantique pertinent pour décrire ces états, ce qui complique nettement le formalisme mathématique.

La structure cristalline de la surface n'est généralement pas connue 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. Or, pour réaliser des simulations réalistes de la structure électronique d'une surface, il est avantageux sinon nécessaire de disposer de modèles structuraux les plus réalistes possible. 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 obtenues par microscope à effet tunnel (STM pour Scanning Tunneling Microscope  ), qui contiennent une information sur la densité locale des états électroniques. Ces informations permettent d'accélérer la convergence des méthodes de calcul de structure électronique. En minimisant les forces sur les atomes, ces méthodes permettent de trouver quel est l'état fondamental du système, soit la configuration d'équilibre de plus faible énergie totale.