Physique et ingénierie des surfaces

Si chacun connaît le mot surface, il n'a pas pour tout le monde la même signification. Le mathématicien conçoit une surface au sens de Laplace comme une entité sans épaisseur, le géologue l'entend comme la partie supérieure de la croûte terrestre épaisse de quelques kilomètres. Entre ces extrêmes, prennent place toutes sortes de définitions (y compris celle qui nous est, hélas, offerte par la langue de bois administrative qui fait d'un agent de nettoyage un technicien de surface).

La plupart des ouvrages traitent les surfaces comme des entités << en soi >> et les envisagent essentiellement comme étant le siège de propriétés spécifiques (adsorption physique ou chimique, corrosion, catalyse ...). En revanche, peu d'ouvrages sont consacrés à l'état mécanique des surfaces et à ce qu'on pourrait appeler leur ingénierie.

Nous débutons cet ouvrage par la création de la surface (clivage, étirement, dressage mécanique, dépôt de matière, modification physico-chimique ...). Nous montrons que la surface considérée comme séparation arbitraire d'un volume ou d'un cristal en deux parties non affectées par la coupure n'est pas stable. À par­ tir de notions simples de thermodynamique classique (quantités d'excès de Gibbs notamment), nous établissons que la tension superficielle est reliée directement à un potentiel thermodynamique dont la minimisation permet de comprendre l'évolution tant de la surface propre sous vide (métaux, semi-conducteurs) que des surfaces créées à l'air libre ou en atmosphère contrôlée (polymères, matériaux). C'est dans ce premier chapitre que nous abordons relaxation, reconstruction, adsorption, mouillabilité.

Ensuite, dans un second chapitre, nous commençons la description de l'état mécanique et géométrique des surfaces en nous intéressant notamment aux définitions de la rugosité. Nous voudrions montrer que les concepts de rugosité utilisés dans la technologie des traitements de surface sont universels et que seules les échelles de résolution des instruments de mesure changent. Ce chapitre est aussi le début d'une exploration vers la profondeur du matériau sous-jacent car, outre la rugosité, nous prenons en compte contraintes et dureté superficielles.

Le quatrième chapitre met en place les concepts physiques nécessaires à la compréhension des méthodes d'analyse des surfaces suivant les trois aspects évoqués dans le premier paragraphe (morphologie, structure, composition). Nous attachons une grande importance à l'analyse morphologique qui décrit le mieux l'état mécanique des surfaces et nous abordons l'analyse de rugosité en allant du << plus gros >> au << plus fin ", de la rugosité microscopique à la rugosité atomique, du palpeur à l'AFM en passant par le nanoindenteur. Ceci suppose une connaissance préalable des forces s'exerçant au voisinage des surfaces ; elles sont rappelées brièvement en référence à l'oeuvre d'Israelachvili. Du point de vue des méthodes structurales et analytiques, il était difficile de ne pas faire un rappel sur l'interaction rayonnement-matière dans la mesure où ions, rayons X, électrons, lasers interviennent de façon majeure dans l'étude et la modification des surfaces. Une étude plus poussée du transfert d'énergie dans le cas de l'interaction photon-matière (cas de l'ablation laser notamment) a semblé nécessaire face à la relative rareté des ouvrages disponibles sur ce sujet.