Propriétés électroniques des surfaces solides - États électroniques de surface des métaux et semi-conducteurs

La plupart des propriétés physico-chimiques des matériaux solides, qu'elles soient électriques, magnétiques, optiques, thermiques, mais aussi leur structure cristalline d'équilibre dérivent de leur structure électronique, qui décrit la répartition des niveaux d'énergie des électrons dans le solide. Les techniques modernes de calcul des structures électroniques sont généralement basées sur des solides monocristallins infinis dans les trois dimensions, alors que tout solide réel est nécessairement délimité par une surface. Or, à la surface d'un solide, l'environnement d'un atome n'est pas le même que dans le volume, ne serait-ce que parce que les atomes à la lisière du solide (c'est-à-dire les atomes de la première couche atomique, à l'interface solide-vide ou solide-atmosphère) n'ont pas le même nombre de premiers voisins que dans le volume. Lors de la création de la surface, une partie des liaisons chimiques des atomes surfaciques doivent être brisées, ce qui coûte une certaine énergie (la tension superficielle). La structure électronique au voisinage de la surface se démarque donc plus ou moins nettement des propriétés volumiques. Même une surface idéale terminant un volume tronqué (les atomes de la surface restant aux mêmes positions qu'ils soient ou non en lisière) peut posséder des états électroniques spécifiques (les états de surface) et manifester des effets multi-électroniques différents du volume. Ce changement de la structure électronique locale est à l'origine de phénomènes macroscopiques et de propriétés spécifiques à la surface, comme l'énergie de surface, les forces d'adhésion, la réactivité chimique…

Dans le premier opus de ce triple dossier consacré aux propriétés électroniques des surfaces des solides [AF 3 716], nous avons introduit les concepts généraux qui permettent de décrire la structure électronique des solides et de leurs surfaces, donné quelques éléments de la structure cristallographique des surfaces, et décrit la répartition macroscopique des charges dans la région péri-superficielle des métaux et des semi-conducteurs. Nous avons ensuite décrit les méthodes expérimentales qui permettent de sonder les propriétés électroniques des surfaces [AF 3 717]. Nous aborderons ici la nature des états électroniques des surfaces bidimensionnelles ordonnées et périodiques, en donnant quelques exemples concrets de surfaces typiques pour les métaux et les semi-conducteurs. Les deux dernières sections 2 et 3 sont dévolues au transport électronique bidimensionnel et au confinement des états électroniques.