> PARCOURS MATERIAUX FONCTIONNELS
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Responsable(s) et Coordonnées:
Crédits ECTS : Durée:
Mots clés :
Pré requis:
NIVEAUX DESCRIPTION et verbes opérationnels
Connaître
Comprendre
Appliquer
Analyser
test ecrit Contrôle Continu
oral
soutenance projet rapport
synthétiser
objectif général:
programmes et contenus:
COMPETENCES:
Evaluer
Evaluations:
Les propriétés diélectriques des matériaux sont parmi celles qui sont connues depuis l'Antiquité; Les matériaux diélectriques connaissent par ailleurs un développement considérable, dû en particulier à l'impact croissant des technologies liées à l'électronique: un téléphone mobile peut contenir jusqu'à quelques centaines de
condensateurs! Outre leurs applications dans le domaine de l'électronique (condensateur haute performance, isolant), ces matériaux sont utilisés pour leurs propriétés piézoélectriques (détecteur de choc et d'accélération, sonar, haut-parleur...), pour leurs propriétés pyroélectriques (détecteur incendie, imagerie infrarouge), ou pour leurs applications en optique (fibre optique, matériaux biréfringents).
Le programme de ce module inclut les thèmes suivants:
(i) Étude macroscopique des matériaux diélectriques, polarisation.
(ii) Mécanismes de polarisation.
(iii) Aspects dynamiques de la polarisation, relaxation, résonance.
(iv) Les matériaux diélectriques réels: pertes diélectriques, claquage diélectrique.
(v) Matériaux ferroélectriques, piézoélectriques, pyroélectriques.
(vi) Propagation des ondes optiques dans les matériaux diélectriques.
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Matériaux diélectriques, propriétés, applications
21 heures
physique du solide (SM033) et cristallographie (SM032)Emilie Gaudry, Maître de Conférences emilie.gaudry@mines.univ-lorraine.fr
S8
L'objectif de ce module est de faire acquérir les bases de physique nécessaires pour être capable de suivre les innovations technologiques dans le domaine des diélectriques. À l'issue du module, les élèves doivent : (i) être capable de citer et de décrire les différents types de matériaux diélectriques,
(ii) être capable de relier les propriétés macroscopiques des diélectriques aux mécanismes de polarisation, ce qui leur permettra d'être capable d'expliquer la variation de grandeurs diélectriques macroscopiques en fonction de la température, et de la fréquence du champ électrique appliqué,
(iii) être capable de présenter des applications technologiques de matériaux diélectriques.
L'évaluation finale prend en compte la participation en cours et en TD, ainsi que la réussite à deux tests et la qualité d'un exposé que les étudiants ont à présenter par binôme:
(i) Le premier test, assez court, permet d'évaluer les connaissances des élèves, leur compréhension du cours et leur capacité à appliquer de petits raisonnements simples.
(ii) Le second test, plus long, rédigé sous forme de problème, permet d'évaluer la capacité d'analyse des étudiants, et leur capacité à appréhender un système complexe.
(iii) L'exposé évalue les capacités d'analyse et de synthèse des étudiants sur un sujet donné, ainsi que leurs capacités à communiquer oralement sur un sujet scientifique. Les sujets proposés sont choisis parmi les applications des diélectriques.
Matériaux diélectriques: des propriétés aux applications SM141 - 6ICM181
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Responsable(s)p
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Crédits ECTS : Durée:
Mots clés : Pré requis:
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Objectifs pédagogiques
Les semiconducteurs et leur mise en oeuvre dans les transistors, les lasers et les circuits intégrés sont à l’origine de la révolution de l’information et de la communication que nous vivons actuellement. L’innovation permanente est liée aux deux démarches simultanées d’intégration et de miniaturisation des composants microélectroniques, puis nanoélectroniques. Les enjeux actuels concernent à la fois l’optimisation de la technologie silicium (top down) et les approches moléculaires associées à l’auto-organisation (bottom up).
À la fin de ce module, les élèves doivent :
• connaître les propriétés physiques des semi-conducteurs et savoir les utiliser pour décrire les principaux dispositifs à semi-conducteurs
• avoir acquis des notions de technologie des dispositifs à base de silicium
• connaître les bases de l’optoélectronique Contenu - Programme
Ce cours vise à donner les bases des phénomènes physiques mis en jeu dans les semiconducteurs. Quelques structures de bandes typiques des semi-conducteurs sont présentées.
Les porteurs de charges sont décrits dans les semi-conducteurs intrinsèques et dopés à l’équilibre.
Le fonctionnement des composants bipolaires (diode pn et transistor pnp) et des composants unipolaires (diode Schottky, structure MOS et transistors MOSFET) est étudié dans le cadre du modèle de Schottky.
La technologie du silicium et la fabrication des circuits intégrés sont présentées et les enjeux de l’intégration et de la miniaturisation sont décrits.
Les interactions porteurs de charge –photons sont étudiés dans le cadre des semi-conducteurs hors équilibre pour introduire les propriétés optiques des semi-conducteurs utilisés dans des dispositifs émetteurs ou récepteurs de lumière.
Mode d’évaluation :
exposé + quiz + fiche bibliograhique + devoir Références
Le polycopié et le site du cours sur http://arche.univ-lorraine.fr Cours en ligne de B. Boittiaux : http://www.eudil.fr/eudil/bbsc/
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Propriétés des semi-conducteurs
21 heures
Introduction aux semiconducteurs (structure de bandes simplifiée, porteurs de charge, dopage, résistivité)
Christophe CANDOLFI, Maître de Conférences
christophe.candolfi@univ-lorraine.fr Propriétés des semi-conducteurs S8
SM142 - 6ICM182
connaître les propriétés physiques des semi-conducteurs
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Responsable(s)p
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Crédits ECTS : Durée:
Mots clés : Pré requis:
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Objectifs pédagogiques
L’étude des propriétés magnétiques des matériaux a pris un essor particulier ces dernières années dans le domaine du nanomagnétisme et l’électronique de spin. L’étude de ces propriétés présente un intérêt fondamental et elle ouvre la porte a un grand nombre d’applications: disques durs magnétiques, mémoires magnétiques (MRAM), capteur de champ magnétique, sources micro-ondes ou circuit logique magnétique, pour n’en cite que quelque uns. Ces développements expliquent largement l’investissement dans les secteurs Recherche et Développement des grands groupes tels que IBM, Hitachi, Seagate…
À la fin de ce module, les élèves devront connaître :
• les origines du magnétisme,
• les interactions fondamentales responsables des propriétés magnétiques des matériaux.
• les applications principales qui en découlent : aimants permanents, enregistrement magnétique, électronique de spin….
Contenu - Programme A) Origine du magnétisme
• A-1) Origine microscopique du magnétisme : des atomes, des ions et de la matière
• A-2) Modèle de magnétisme localisé et itinérant
• A-3) Interactions fondamentales : Interaction d’échange, spin-orbite, champ cristallin, dipolaire et Zeeman B) Configurations Magnétiques et Nanomagnetisme
• B-1) Les états du magnétisme : diamagnétisme ; paramagnétisme, ferromagnétisme ; antiferromagnétisme, ferrimagnétisme
• B-2) Magnétisme aux différentes échelles : domaines magnétiques, parois de domaines magnétiques, effet de taille
C) Propriétés spécifiques
• C-1) Les propriétés magnétiques : magnétostriction, magnétorésistance, anisotropie magnétique, aimantation, susceptibilité magnétique
• C-2) Application des matériaux magnétiques « doux » et « durs », des couches et multicouches minces magnétiques (enregistrement magnétique, électronique de spin)
Mode d’évaluation :
Présentation orale + participation + test final 2
Propriétés magnétiques des métaux et nanomatériaux
21 heures
Matière et rayonnement TCS12 ; Physique statistique TCS22 ; SM033Stéphane MANGIN, Maître de Conférences stephane.mangin@univ-lorraine.fr
Propriétés magnétiques des métaux et nanomatériaux S8
SM143 - 6ICM183
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Propriétés magnétiques des métaux et nanomatériaux
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Crédits ECTS : Durée:
Mots clés :
Pré requis:
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A. Les verres et leurs propriétés fonctionnelles
- Définition du domaine et contexte industriel (élaboration, composition, structure, applications) - Notions de transition vitreuse
- Propriétés mécaniques et rhéologiques des verres
- Relation composition / propriétés fonctionnelles (luminescence, les verres photochromes...)
- Fonctionnalisme de surface: greffage, couches minces et revêtements (notion de biomimétisme, les verres autonettoyants)
- Fonctionnalisation en volume (les techniques sol-gel, les nouveaux verres obtenus par chimie douce, les verres biogéniques, les vitrocéramiques)
- Les verres et produits verriers: quelles améliorations, quel futur?
B. Les polymères et leurs propriétés fonctionnelles
- Propriétés barrières des polymères (perméabilité aux gaz et à la vapeur d'eau, perméabilité aux liquides, emballage)
- Les propriétés électriques et optiques des polymères - Fonctionnalisation de surface des polymères et applications
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verres, polymères, propriétés fonctionnelles, techniques de fonctionnalisation, biomiétisme
21 heures
cours de tronc commun du département matériaux
Franck CLEYMAND, Maître de Conférences franck.cleymand@univ-lorraine.fr
S8
les propriétés et les principes de base de la fonctionnalisation des polymères et des verres
les applications industrielles ou en cours de développement des polymères et des verres fonctionnalisés les enjeux scientifiques, techniques et industriels de la fonctionnalisation des verres et des polymères les techniques de fonctionnalisation des verres et des polymères
les principes théoriques étudiés en cours (ex luminescence) et associés aux nouvelles fonctions la notion de transition vitreuse aux propriétés des verres et polymères
des courbes expérimentales et des observations du vivant
des documents scientifiques et techniques concernant l'élaboration et les propriétés de ces matériaux Propriétés fonctionnelles et fonctionnalisation des polymères et des verres SM144 - 6ICM184
à travers un court exposé (5 minutes) une application récente et le principe théorique associé aux verres et/ou polymères fonctionnalisés
les retombées potentielles des fonctions nouvelles et recherchées introduites dans les verres et les polymères
introduction aux propriétés fonctionnelles des verres et des polymères
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Crédits ECTS : Durée:
Mots clés : Pré requis:
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Objectifs pédagogiques
Les techniques de dépôts en couche mince et de micro ou nano-structuration de ces couches sont de nos jours très courantes à la fois dans le monde de la recherche et dans le secteur industriel (micro-éléctronique,
opto-électronique, revêtement mécanique, anti-corrosion, biophysique...). La taille des objets fabriqués est alors petite au moins selon une dimension, et il n’est plus possible de négliger les effets de « bord » provenant des limites du matériau, à savoir les surfaces. L’objectif de ce cours est d’examiner, de comprendre et d’utiliser les propriétés spécifiques des surfaces des objets fabriqués. D’autre part, une large partie du cours sera consacrée aux moyens de caractérisation courants permettant d’examiner ces effets. Enfin, les notions abordées dans ce cours sont générales et utilisables dans de nombreux domaines scientifiques et technologiques.
Contenu - Programme
Le cours est partagé en trois grandes parties. Le premier chapitre est consacré aux propriétés des objets délimités par une surface, en comparaison avec les propriétés du massif : énergie de surface, structure électronique, cristallographie. Le second chapitre montre trois classes de moyens de caractérisation des surfaces les plus répandus : les moyens de caractérisation chimique –spectroscopie Auger et XPS-, cristallographique –diffraction d’électrons LEED et RHEED-, et dans l’espace direct –microscopies AFM et STM-. La troisième partie est consacrée aux phénomènes présents lorsqu’on apporte des atomes ou molécules sur une surface, s’étendant jusqu’à la croissance de films minces.
Le module s’articule sous forme de cours magistral. Les élèves disposeront d’un polycopié conséquent ainsi que des annales d’exercices et de problèmes avec des corrections.
Mode d’Evaluation :
L’évaluation sera effectuée sous forme d’un examen écrit. Selon le nombre d’élèves choisissant le module, une visite d’installation spécifique au laboratoire de physique des matériaux est possible.
Références
« Les surfaces solides : concepts et méthodes » S. Andrieu et P. Müller, Les Editions de Physiques / CNRS Edition, Collection Savoirs Actuels, 2005
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Nano-objets et surface
21 heures
Pré-requis en physique quantique. Le cours de 1ère année TCS12 est suffisant.
Stéphane ANDRIEU, Professeur stephane.andrieu@univ-lorraine.fr
Nano-objets et surface S9
SM151 - 6ICM191
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examiner, comprendre et utiliser les propriétés spécifiques des surfaces des objets fabriqués
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Crédits ECTS : Durée:
Mots clés : Pré requis:
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Objectifs pédagogiques
Appréhender la mise en oeuvre et les applications des puces dans l’industrie micro-électronique.
Savoir quels sont les enjeux actuels des évolutions technologiques et de l’innovation.
Connaître les nouveaux dispositifs : micro-mécanique, micro-fluidique et systèmes auto-organisés.
Contenu - Programme
Elaboration des semi-conducteurs :
• purification et cristallogenèse
• techniques de micro-fabrication et salles blanches
• réalisation de couches actives par dopage
• croissance de couches isolantes par oxydation
• métallisation
• techniques de lithographie, nano-lithographie
• encapsulation
Evolution des performances : les enjeux de la miniaturisation et des hautes fréquences, le roadmap microélectronique
Dispositifs spécifiques :
• MEMs dispositifs micro-mécaniques et électroniques : micro-moteur, accéléromètre, dispositifs à ondes acoustiques de surface …
• Dispositifs à micro-fluidique : imprimante à jet d’encre, micro-pompes, laboratoire sur puce …
• Les nanotubes de carbone
• L’électronique de spin
• L’électronique moléculaire et les systèmes auto-organisés
• Dispositifs électroniques appliqués au médical Fondamentaux impératifs :
Techniques de lithographie et croissance de couches minces en salles blanches.
Principaux dispositifs micro-mécaniques, micro-fluidique et systèmes auto-organisés.
Mode d’Evaluation :
travail de synthèse sur des questions du cours + exposés de 30 min. des résultats
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Puces et microélectronique
21 heures
Propriétés des semi-conducteursBertrand LENOIR
bertrand.lenoir@univ-lorraine.fr Puces et microélectronique S9
SM152 - 6ICM192
Mise en oeuvre et applications des puces dans l’industrie micro-électronique.
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Crédits ECTS : Durée:
Mots clés : Pré requis:
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Ce cours a pour objectif de présenter des classes de matériaux ayant des développements importants dans les domaines de l’optique moderne et de l’optronique et de comprendre les principes de fonctionnement des
dispositifs associés. Ce cours s'appuient sur des intervenants industriels ou académiques et bénéficie d'une visite et de travaux pratiques. Les thèmes abordés concernent :
- l'optique non linéaire : présentation du formalisme, optique non linéaire du deuxième ordre, matériaux pour l’optique non linéaire quadratique et applications (doubleurs de fréquence, oscillateurs paramétriques optiques, électro-optique),
- l'optique dans des systèmes de basses dimensions : matériaux et applications,
- l’émergence de l’électronique organique : matériaux, dispositifs (OLED, transistors,…) et applications
- La couleur dans les solides minéraux : pigments et interactions solaires, pigments inorganiques (cas de TiO2 et CeO2), la couleur avec les éléments de transition et les terres rares, thermochromisme et piezzochromisme, - les verres non conventionnels pour les télécommunications optiques à hauts débits et verres de chalcogénures à fonctions actives (fibres lasers, amplificateurs optiques, commutateurs optiques) et passives (caméras infrarouges, capteurs optiques),
- Les lasers et matériaux laser : configurations lasers et niveaux d’énergie, exemples de lasers, applications 2
Propriétés optiques et optroniques des matériaux
21 heures
Propriétés électriques et thermiques des matériaux (SM033), cristallographie (SM032)
Bertrand LENOIR, Professeur
bertrand.lenoir@univ-lorraine.fr
S9
Connaître les différents approches abordées en cours pour moduler les propriétés optiques et optroniques des matériaux.
Comprendre les grandes stratégies et concepts mis en jeu pour améliorer les performances optiques et optroniques des matériaux.
Appliquer les méthodes et les approches vues en cours sur des sujets connexes.
Savoir analyser les notions vues en cours et savoir garder un esprit critique sur leurs conséquences.