Institut des
NanoSciences de Paris
insp
Accueil > Faits d’actualité > Archives 2008 > Polarité des surfaces (...)
insp
3.jpg

Polarité des surfaces d’oxyde et nanostructures

Février 2008

Ce fait d’actualité est un article de revue sur les surfaces polaires par Jacek Goniakowski, Fabio Finocchi et Claudine Noguera

Les surfaces polaires résultent d’un empilement de couches atomiques électriquement chargées, dont la stabilisation met en jeu des processus très spécifiques qui, in fine, déterminent leurs propriétés physiques et chimiques : reconstructions à grande maille, motifs nanométriques sur la surface, et/ou structures électroniques inhabituelles. En vue d’applications allant de la microélectronique à la catalyse hétérogène, stimulée par l’émergence de nouveaux concepts spécifiques aux nano-objets polaires, cette revue récapitule les développements récents, tant théoriques qu’expérimentaux, dans le domaine.

La polarité résulte d’un effet combiné de l’orientation de la surface et de sa terminaison. Elle est associée à une polarisation macroscopique, responsable d’une instabilité électrostatique. Comme dans les matériaux ferroélectriques, il faut un champ dépolarisant pour stabiliser le système, et donc une modification de l’état de charge de la surface. Ceci peut mener à des configurations originales, tout à fait différentes à la fois du volume du matériau et de ses surfaces non-polaires, avec des états électroniques de surface inhabituels. Le caractère acide ou basique des sites de surface s’en ressent et cela a des implications sur la réactivité de la surface. Les reconstructions induites par la polarité nano-structurent les surfaces ; une application envisageable est l’utilisation de ces reconstructions comme gabarits capables d’orienter la croissance de structures artificielles (couches, agrégats) vers des conformations spécifiques et maîtrisées, fonction de la taille et de la symétrie de la maille élémentaire ainsi que de la corrugation de la surface.

Au-delà des surfaces macroscopiques, la polarité a aussi une profonde influence sur la croissance, les caractéristiques et les fonctionnalités de nano-objets. D’une part, et contrairement aux surfaces semi-infinies, certains nano-objets peuvent supporter une polarisation macroscopique non-nulle et donc être stables en l’absence de champ dépolarisant. Dans ce cas, leurs propriétés sont dictées par la valeur totale du dipôle électrique, qui dépend fortement de la taille. D’autre part, en raison de leur taille réduite, certains autres nano-objets peuvent être stabilisés par des processus qui sont absents ou inefficaces dans les systèmes macroscopiques. Par exemple, la polarisation macroscopique peut être annulée par des modifications structurales ou électroniques dans l’ensemble du nano-objet, et pas seulement à sa surface. De tels processus, lies à la polarité, peuvent moduler les propriétés structurales et électroniques en fonction de la taille du système, ce qui les rend potentiellement utiles comme outils pour façonner des nano-objets.

JPEG

Corrugation de la surface polaire (111), reconstruite (2x2) des oxydes en structure NaCl. Les anions et les cations de surface sont tracés en rouge et en noir. Les trois niveaux de bleu rendent compte des orientations différentes des facettes 100.

JPEG

Energie de formation de films ultra-minces de MgO(111) non-supportés : structure NaCl volumique, structure ZnS distordue (polaire non-compensée pour N <5), structure graphitique non-polaire h-BN. Remarquer la phase de plus basse énergie h-BN, contrairement à la structure d’équilibre NaCl de volume.

En savoir plus :

"Polarity of oxide surfaces and nanostructures” Jacek Goniakowski, Fabio Finocchi & Claudine Noguera Rep. Prog. Phys. 71 (2008) 016501