Propriétés électroniques des surfaces solides - Introduction, généralités, concepts

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  . 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 × 10 ²² atomes de volume pour seulement 4 × 10 ¹⁵ 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...