CHAPITRE 4 - BASES PHYSIQUES DE L’ANALYSE DES SURFACES
161
Ce dipôle instantané crée u n champ électrique qui polarise les atomes voisins.
L’interaction entre ces deux dipôles induit une force attractive instantanée et on
montre que sa moyenne temporelle est finie.
2.5. La mesure des forces atomiques et moléculaires
Les données thermodynamiques sont la première source de mesures des potentiels attractifs à courte portée entre les molécules. Les isothermes d’adsorption
sont aussi une bonne manière d’accéder aux interactions molécules-surface. Les
mesures physiques (diffusion de rayons X ou de neutrons, RMN, viscosité) servent à connaître les forces répulsives. Les forces d’adhésion se mesurent par
arrachement, pelage, rayure, angle de contact ... Ce ne sont pas souvent des
mesures très reproductibles ou directes. Les seules mesures directes sont obtenues avec les machines de force développées essentiellement par Israelachvili
et avec les microscopes à force atomique. L a seule difficulté, mais elle est
de taille, réside dans la connaissance de la géométrie du système car la force en
dépend étroitement. Par exemple, l’énergie libre d’interaction entre deux atomes
distants de r est - K / r 6 , celle entre u n atome et une surface située à une distance
D est - K‘/D3, celle entre une sphère et une surface plane distantes de D est
- K ” / D . Les machines de force sont conçues pour éviter ce problème en utilisant
des sondes sphériques très bien calibrées ou des cylindres de mica en regard
(Fig. 3.11). En AFM, les mesures dépendront beaucoup de la qualité de la pointe.
3.
L‘effet tunnel
L’effet tunnel est le passage d’un electron à travers une barrière isolante. En
mécanique classique, la probabilité est nulle pour qu’un électron puisse traverser une barrière d’énergie potentielle si son énergie est inférieure à la hauteur de
barrière. En mécanique quantique, on montre que la fonction d‘onde de l’électron ne s’annule pas brusquement à l’interface solide-vide mais prend la forme
d u n e onde évanescente dont l’amplitude décroît exponentiellement avec la distance. Donc, si on approche suffisamment deux métaux l’un de l’autre, il y a
recouvrement des fonctions d‘ondes évanescentes et possibilité que les électrons
traversent l’espace vide par effet tunnel. On peut trouver u n traitement théorique complet du courant tunnel circulant entre deux métaux dans la référence115). Considérons les schémas de barrière de la figure 4.14.
En (a), on a deux électrodes métalliques sans interaction, chacune a son
propre niveau de Fermi EF et son travail de sortie @ (workfunction). Si on rapproche les deux métaux en interaction, (b), il se forme un équilibre électrique qui
conduit à l’égalisation des niveaux de Fermi. Pour avoir un courant tunnel, il faut
appliquer une différence de potentiel V entre les deux métaux, qui introduit un
(15) Tersoff J. et Hamann D.R., Theory of the scanning tunneling microscope, Phys. Reu. B
31 (1985) 805-813.
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Ce dipôle instantané crée u n champ électrique qui polarise les atomes voisins.
L’interaction entre ces deux dipôles induit une force attractive instantanée et on
montre que sa moyenne temporelle est finie.
2.5. La mesure des forces atomiques et moléculaires
Les données thermodynamiques sont la première source de mesures des potentiels attractifs à courte portée entre les molécules. Les isothermes d’adsorption
sont aussi une bonne manière d’accéder aux interactions molécules-surface. Les
mesures physiques (diffusion de rayons X ou de neutrons, RMN, viscosité) servent à connaître les forces répulsives. Les forces d’adhésion se mesurent par
arrachement, pelage, rayure, angle de contact ... Ce ne sont pas souvent des
mesures très reproductibles ou directes. Les seules mesures directes sont obtenues avec les machines de force développées essentiellement par Israelachvili
et avec les microscopes à force atomique. L a seule difficulté, mais elle est
de taille, réside dans la connaissance de la géométrie du système car la force en
dépend étroitement. Par exemple, l’énergie libre d’interaction entre deux atomes
distants de r est - K / r 6 , celle entre u n atome et une surface située à une distance
D est - K‘/D3, celle entre une sphère et une surface plane distantes de D est
- K ” / D . Les machines de force sont conçues pour éviter ce problème en utilisant
des sondes sphériques très bien calibrées ou des cylindres de mica en regard
(Fig. 3.11). En AFM, les mesures dépendront beaucoup de la qualité de la pointe.
3.
L‘effet tunnel
L’effet tunnel est le passage d’un electron à travers une barrière isolante. En
mécanique classique, la probabilité est nulle pour qu’un électron puisse traverser une barrière d’énergie potentielle si son énergie est inférieure à la hauteur de
barrière. En mécanique quantique, on montre que la fonction d‘onde de l’électron ne s’annule pas brusquement à l’interface solide-vide mais prend la forme
d u n e onde évanescente dont l’amplitude décroît exponentiellement avec la distance. Donc, si on approche suffisamment deux métaux l’un de l’autre, il y a
recouvrement des fonctions d‘ondes évanescentes et possibilité que les électrons
traversent l’espace vide par effet tunnel. On peut trouver u n traitement théorique complet du courant tunnel circulant entre deux métaux dans la référence115). Considérons les schémas de barrière de la figure 4.14.
En (a), on a deux électrodes métalliques sans interaction, chacune a son
propre niveau de Fermi EF et son travail de sortie @ (workfunction). Si on rapproche les deux métaux en interaction, (b), il se forme un équilibre électrique qui
conduit à l’égalisation des niveaux de Fermi. Pour avoir un courant tunnel, il faut
appliquer une différence de potentiel V entre les deux métaux, qui introduit un
(15) Tersoff J. et Hamann D.R., Theory of the scanning tunneling microscope, Phys. Reu. B
31 (1985) 805-813.