Propriétés électroniques des surfaces solides - Techniques expérimentales

Depuis le début de la révolution industrielle, les surfaces des matériaux ont été d'un grand intérêt pratique, étant le siège de phénomènes importants comme la corrosion, la catalyse hétérogène, l'émission thermo-ionique des filaments des ampoules et des tubes à vide électroniques... En appliquant la théorie cinétique des gaz, on peut en effet montrer que tous les sites réactifs d'une surface propre à l'instant t ₀ sont visités par un atome ou une molécule de l'atmosphère ambiante en environ une seule microseconde. Les meilleurs vides accessibles étant longtemps restés de l'ordre du millibar, les surfaces étudiées étaient, à température ambiante, le plus souvent couvertes et masquées par des couches adsorbées d'atomes et de molécules de nature inconnue. En l'absence de techniques de production de vides très poussés, des surfaces atomiquement propres ne pouvaient donc se former qu'à très haute température dans les cas favorables où les adsorbats s'évaporaient. C'est ainsi que dès 1927, quelques années après que de Broglie ait formulé l'hypothèse que les particules de la matière possédaient un caractère ondulatoire, Davisson et Germer, travaillant aux laboratoires de la Bell Telephone, purent démontrer l'existence de figures de diffraction lors de la rétrodiffusion d'électrons de faible énergie par la surface d'un film de nickel. Pour cette confirmation expérimentale de la dualité onde-corpuscule, Davison reçut le prix Nobel de physique en 1937 avec Thomson, pour la découverte des « ondes électroniques ». Depuis les années 1970, des vides très poussés de l'ordre de 0,1 picobar (domaine de l'ultra-haut-vide ou UHV) sont produits de manière routinière en laboratoire, ce qui rend possible la préparation de surfaces très bien caractérisées au niveau atomique, qu'elles soient propres ou délibérément recouvertes d'un adsorbat avec une précision d'une fraction de monocouche  .

Avec l'avènement des microscopies à champ proche inventées par Binnig et Rohrer dans les années 1980, les physiciens ont acquis la capacité de visualiser dans l'espace direct la topographie et la structure atomique des surfaces avec une précision inférieure à l'angström. À cet outil remarquable s'ajoute toute une gamme de techniques de caractérisation des surfaces, des sondes moins locales mais tout aussi puissantes donnant accès à la composition atomique et chimique et à la structure cristalline, dont les plus connues sont la spectroscopie des électrons Auger (AES), la diffraction...