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Du matériau au nano : un aperçu de la physique d'aujourd'hui

Sigle: S2634, ECTS: 3

Objectifs du cours

Les matériaux occupent dans notre société une place beaucoup plus importante que nous pourrions le croire à première vue. Que ce soit en matière de transport, de vêtement, de communications ou encore d'électronique, presque toutes nos activités quotidiennes sont liées d'une façon ou d'une autre à la présence des matériaux. Ainsi, une meilleure compréhension de la nature d'un matériau ouvre souvent la voie à des progrès techniques. L’objectif de ce cours est de traiter de plusieurs principes essentiels de la physique actuelle appliquée aux matériaux d'intérêt technologique et ce sous diverses formes : solides, surfaces, nano-objets et molécules.

Durant cet enseignement, nous attacherons une grande importance à la définition des concepts de base et aux ordres de grandeur en jeu qui caractérisent les propriétés macroscopiques de ces objets. Nous discuterons plus particulièrement de l’origine des propriétés importantes des matériaux et aborderons plusieurs aspects contemporains de la nanophysique dont les applications se font sentir dans tous les domaines de la science et des technologies d'aujourd'hui  (électronique, optique, magnétisme, chimiques et nanomatériaux).

L’enseignement sera dispensé sous la forme d’une alternance de cours magistraux, de sessions d'exercices et de travaux dirigés numériques. A cette occasion, plusieurs outils didactiques de mécanique quantique appliquée aux matériaux et nano-objets ont été développés par l'équipe pédagogique. Ils permettront aux étudiants d'appliquer tous ces nouveaux concepts sur des modèles réalistes et actuels (graphene, nanotubes de carbone, spintronique, etc)  directement pendant la session d'enseignement.

Pré-requis

Destiné à un auditoire d'ingénieurs, ce cours suppose des connaissances de base en électromagnétisme, mécanique quantique et physique statistique.

Programme

1- Introduction : Les différents états de la matière
    •    Liaison chimique ; rappels de physique atomique et moléculaire ; le gaz d’électrons libres

2- Structure du cristal parfait
    •    Rappels de cristallographie ; espace et réseau réciproques ; présentation des supercellules et cristallographie des surfaces

3- La structure électronique
    •    Etats quantiques dans un solide ; états quantiques dans des nanostructures ; modèle des électrons presque libres ; du modèle des liaisons fortes aux techniques ab initio les plus actuelles  

4- Vibration des atomes
    •    Vibrations des noyaux atomiques ; phonons ; propriétés thermiques des solides

5- Propriétés physiques des matériaux : du solide au nano
    •    présentation des différentes classes de matériaux : métaux et alliages, semi-conducteurs, isolants ;  détermination des propriétés physiques par les structrures électroniques et vibrationnelles  microscopiques ; effets de taille (confinement quantique) et de morphologie

6- Deux applications majeures : les propriétés de transport et le magnétisme
    •    Etablissement du courant électronique dans les matériaux ; prépondérance des contacts ; quantification de la conductance
    •    Magnétisme des solides versus des nano-objets ; phénomènes d'électronique de spin

7- Interactions rayonnement-matière
    •    Propriétés optiques ; de l'infrarouge au domaine X ; spectroscopies d'électrons et de neutrons

Modalités d'évaluation

Examen oral.

Modalités pédagogiques

Le cours débutera par une introduction générale avec des rappels sur les liaisons chimiques, la physique atomique et moléculaire, le gaz d’électron et quelques notions de cristallographie qui serviront de base pour la suite.

Le cœur du cours sera basé sur la physique des électrons et des vibrations (phonons) dans les solides et les systèmes de taille nanoscopique (molécules, aggrégats, nanofils et nanoparticules) à partir des fondements de la mécanique quantique.

L’enseignement sera dispensé sous la forme d’une alternance de cours magistraux et de travaux dirigés numériques. A cette occasion, plusieurs outils pédagogiques de mécanique quantique appliquée aux matériaux et nano-objets ont été développés. Ils permettront aux étudiants d'appliquer ces nouveaux concepts sur des modèles réalistes et actuels (graphene, nanotubes de carbone, spintronique, etc)  directement pendant la session d'enseignement.

De plus, dans le cadre de cet enseignement un site Web a été développé comme support pédagogique. Cet outil favorise l’illustration des concepts de base et attise la curiosité scientifique des étudiants en les renvoyant vers des documents complémentaires. Le contrôle final du cours se présente sous forme d’un exposé scientifique par binôme sur des sujets suggérés par les enseignants ou sur proposition motivée des étudiants. Les exposés seront ensuite mis en ligne sur le site du cours.

Référence




- Physique de l'état solide, C. Kittel, 7ème édition Dunod.
- Physique des solides, N.W. Aschroft et N.D. Mermin, EDP Sciences.
- Quantum transport: Atom to Transistor, S. Datta, Cambridge University Press.
- Concepts in surface physics, M.-C. Desjonquères et D. Spanjaard, Springer.

Equipe pédagogique

Responsable(s)
Hakim AMARASylvain LATIL

Chargé(s) d'enseignement

Intervenant(s)
Cyrille BARRETEAU ; François DUCASTELLE
Sigle S2634
Année 2ème année
Niveau Graduate 1st year
Crédits ECTS 3
Coefficient 3
Nb. d'heures 37
Nb. de séances 30
Type de cours Enseignement spécialisé
Semestre 4
Période Printemps
Domaines
  • Physique
  • Matériaux
Dernière mise à jour:
20 Jun 2017 11:20 par julien