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Sigle UE
Sigle module
Intitulé module
Coef. Coef UE
U1-S8-MAT
SC-M-S8
Semi-conducteurs et
Changements de phase
5
OP-DI-S8
Optique anisotrope et
diélectriques
5
MC-2-S8
Maths et
Matière Condensée 2
5
TP-PC-S8
TP Chimie- Projet
Industriel
5
CO-Th-S8
Cristallographie
5
MAT3-S8
Matériaux 3: Verres et
Céramiques
5
U2-S8-MAT
U3-S8-MAT
ECTS UE
7
7
6
6
7
7
Sigle-Semestre : SEM-CHP-S8
Objectifs : Ce module s'inscrit dans la continuité du module Matière Condensée 1 et comporte
deux volets:
Le premier volet concerne les changements de phases à l’état solide et leurs applications
potentielles. Il s’agira, via l’approche thermodynamique de Landau, d’introduire les concepts de
paramètre d’ordre, de brisure de symétrie spontanée, de susceptibilité ou de longueur de
cohérence qui permettent par exemple d’expliquer phénoménologiquement le comportement de
certains matériaux, encore appelés ferroélectriques, qui présentent une polarisation électrique
non nulle en l'absence de champ électrique appliqué ou celui des matériaux supraconducteurs à
basse température.
Le deuxième volet se rapporte à la physique des semi-conducteurs et vise la compréhension du
fonctionnement des structures de base (jonction PN, contact ohmique, structure MIS), et la mise
en équation des phénomènes de transport de courant, et la réponse .
Un TP viendra illustrer ce dernier cours avec des mesures de type C(V) sur des diodes et sur une
structure MOS pour la compréhension du fonctionnement d’un dispositif de base.
Pré́ -requis : Notions de mécanique quantique, de physique statistique et de physique de la matière
condensée acquises durant la première année ou encore le premier semestre de la deuxième année.
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•
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MQ-STAT-S5
THERMO-PHYSSTAT-S6
MatCOND1-S7
Evaluation :
•
•
1 note de TP
Contrôles continus
Contenu détaillé :
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•
Cours-TD (Changements de phases) 12h CM, 6h TD (Langue anglaise)
o Quelques exemples d’application des transitions de phases.
o Introduction à la théorie de Landau : cas de la transition para-ferro-électrique.
o Transitions de phase du 2nd et 1er ordre.
o Transition supraconductrice
o Paramètre d’ordre inhomogène : jonction Josephson, base du SQUID.
o Transition vitreuse.
Cours-TD (Semi-conducteurs) 14h CM, 8h TD (Langue anglaise)
o Structure électronique des matériaux semi-conducteurs purs et impurs,
statistique des semi-conducteurs homogènes, phénomènes de transport.
o Structure électronique des matériaux semi-conducteurs inhomogènes et des
structures artificielles (exemple des “hétérostructures” à puits quantiques).
o Jonctions pn, transistors bipolaires, capacités Métal – Oxyde - Semiconducteur,
transistors à effet de champ.
o Quelques notions sur les circuits intégrés (exemple de l’inverseur).
•
TP (8h) :
o Etude d'une diode à jonction P-N et d'une structure MOS par la
méthode C(V).
L’objectif de ces TP est d’aborder la physique des composants pour la microélectronique,
au travers de caractéristiques C(V). Le fonctionnement des composants fondamentaux sont
étudiés en détail. A un premier niveau, les contraintes technologiques de la microélectronique
sont illustrées sur des diodes à simple jonction (graduelle/abrupte), puis par l’observation d’un
wafer de silicium support de capacités CMOS (discussion des étapes de gravure, masquage,
lithographie et métallisation). L’analyse qualitative des caractéristiques C(V) des diodes illustre
les phénomènes de transport au sein d’une jonction p-n, et met l’accent sur le comportement
d’une zone de charge d’espace, et permet d’aborder dans un second temps les régimes de
fonctionnement d’une capacité CMOS. Le comportement sous illumination d’une capacité MOS
est démontré, introduisant les premiers éléments de compréhension d’un dispositif CCD.
Compétences :
• Maîtriser une approche phénoménologique et conceptuelle destinée à faire un lien entre
•
•
•
des interactions microscopiques supposées et le comportement collectif de la matière
condensée lors de changements de phases.
Apprendre à faire un lien entre propriétés physiques de matériaux et leurs domaines
potentiels d’applications.
Acquérir les concepts de paramètre d’ordre, brisure de symétrie, longueur de corrélation,
susceptibilité.
Acquérir les connaissances de base permettant de comprendre le fonctionnement des
dispositifs de la microélectronique.
Bibliographie:
• Introduction à la physique statistique (C.Kittel, ed. J.Wiley & Sons).
• Physique statistique, 1ère partie (L.Landau & E.Liffchitz, ed. MIR).
• Physique des solides (N. Ashcroft et N. Mermin, EDP Sciences).
• Fundamentals of thermal and statistical physics (F.Reif, ed. McGraw Hill).
• Physique statistique (B.Diu, C.Guthmann, D.Lederer, B.Roulet, ed. Hermann).
• Physique statistique: Introduction (C.Ngo, H.Ngo, ed. Dunod).
• Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques, Henry Mathieu
et Hervé Fanet, Dunod (6ième édition)
• Physique des dispositifs semi-conducteurs, J. P. Colinge, F. Vans de Wiek, Ed. De
Boek Université
• Introduction à la physique des matériaux conducteurs et semi-conducteurs, J. L.
Teyssier, H. Brunet, Dunod Universités
• Physics of semiconductor devices, S. M. Sze, Ed. Wiley
• Traité des matériaux, Vol 18 : « Physique et technologie des semi-conducteurs »,
F. Levy, Presses polytechniques de l’université Romande
• The materials science of semiconductors, A. Rockett, Ed. Springer.
Sigle-Semestre : Di-Op-S8
Objectifs : Ce module comporte deux parties distinctes:
L'objectif de la première partie est de comprendre comment un matériau diélectrique
réagi à l'application d'un champ électrique. Une place importante est accordée à la
compréhension des propriétés des matériaux ferroélectriques dont les applications
technologiques sont nombreuses.
L'objectif de la deuxième partie est de comprendre les phénomènes liés à la propagation
de la lumière dans les matériaux et en particulier les matériaux diélectriques anisotropes. Dans
ce but, l'accent est porté sur la notion de polarisation de la lumière. L'objectif visé est la
compréhension de l'interaction de la lumière polarisée avec les matériaux et des applications
dérivées: caractérisation optique des matériaux, composants pour la photonique.
Ce module d'enseignement est composé de deux parties portant respectivement sur les milieux
diélectriques et sur la propagation de la lumière dans les matériaux, en particulier dans les milieux
anisotropes. Un TP consacré à l'étude des propriétés de biréfringence d'un cristal liquide vient
compléter la deuxième partie.
Pré́ -requis :
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MQ-STAT-S5
Maths-VIB-S5
THERMO-PHYSTAT-S6
VIB-S6
MatCOND1-S7
MQ-Spec-S7
Evaluation :
•
•
1 note de TP
Contrôles continus
Contenu détaillé :
•
Cours-TD (Diélectrique 12h CM et 6h TD) :
o Notion de moment dipolaire, champ électrique créé par un dipôle, théorie
microscopique de la polarisabilité électronique, ionique et d'orientation en
régime statique, interactions de Van der Waals (marche des geckos, stabilité du
graphite).
o Equations de Maxwell dans un milieu matériel, charges de polarisation, champ de
dépolarisation, milieux diélectriques linéaires, notions de susceptibilité et de
permittivité diélectrique, effet d'un diélectrique sur la capacité d'un
condensateur, modèles de Lorentz, catastrophe de polarisation.
o Ferroélectricité, applications des matériaux ferroélectriques (condensateurs,
mémoires, caméras thermiques).
o Piezoélectricité, applications aux transducteurs.
•
Cours-TD (Optique anisotrope 12h CM et 5h TD dont 1 heure de
démonstration à l'IPR)
o Onde lumineuse, polarisation de la lumière, formalisme de Jones
o Electromagnétisme dans la matière: permittivité et susceptibilité diélectrique,
indice optique, propagation et dispersion.
o Optique dans les milieux linéaires anisotropes: aspects microscopiques,
description macroscopique, biréfringence linéaire, circulaire, chiralité.
o Outils et applications de l'optique anisotrope : Composants optiques à base de
•
matériaux anisotropes (lames de phase, polariseurs, etc); Techniques
polarimétriques et applications à la caractérisation des matériaux.
o Effets anisotropes induits (cellules à cristaux liquides, électro-optique, élastooptique, magnéto-optique) et applications à la photonique.
o Visite de laboratoire et démonstration/TP: application des effets anisotropes à la
modulation de signaux optiques.
TP (8h) :
o Biréfringence linéaire et circulaire de lames minces matériaux.
La biréfringence linéaire est à l'origine de nombreuses applications tant dans l'industrie (lasers,
capteurs, écrans, nanofibres...) qu'en recherche (imagerie cellulaire ou tissulaire, systèmes
fibrillaires...).
Ces travaux pratiques abordent la mesure des propriétés de biréfringence linéaire d'une lame
mince de matériau par deux méthodes : compensateur de Babinet et transmission d'un faisceau
laser en fonction de l'orientation de la lame par rapport à des polariseurs.
Au travers des expériences, l'étudiant est amené à discuter des principes de mesure en relation
avec le cours (en particulier revoir la notion de polarisation linéaire (loi de Malus...) ou circulaire,
de lames demi-onde ou quart-d'onde, de variation d'intensité en fonction de l'orientation
relative polariseur/échantillon/analyseur...), des incertitudes de mesure, avantages et
désavantages des différentes méthodes...
Le contrôle de l'anisotropie par un potentiel électrique est illustré par l'étude de la transmission
d'un cristal liquide, ainsi que, suivant le temps disponible, les problèmes de reconstruction d'un
signal non bijectif ("périodisé").
La mesure de la biréfringence circulaire du BSO est aussi effectuée avec un monochromateur et
des polariseurs.
Compétences :
• Maîtrise des notions de polarisation lumineuse et du formalisme de Jones
• Maîtrise des notions de susceptibilité diélectrique, d’indice optique et des
phénomènes de propagation et dispersion lumineuse
• Connaissance des matériaux anisotropes pour l’optique (uniaxes, biaxes,
biréfringents, chiraux,…) et de leurs propriétés
•
•
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•
•
•
•
•
Calcul et tracé de la propagation lumineuse dans les milieux anisotropes uniaxes
(vecteur d’onde, rayon lumineux, polarisation) et dans les milieux à anisotropies
induites.
Connaissance des applications principales de l’optique anisotrope pour la
caractérisation des matériaux et l’élaboration de fonctions optiques pour la
photonique.
Compréhension des mécanismes de polarisation à l'échelle microscopique.
Calculs des champs crées des milieux uniformément polarisés.
Notion de permittivité diélectrique statique et influence d'un diélectrique sur la
capacité d'un condensateur.
Compréhension de la transition paraélectrique-ferroélectrique
Cycle d'hystérésis d'un matériau ferroélectrique.
Structuration en domaines d'un matériau ferroélectrique et analogie avec les
matériaux ferromagnétiques.
Bibliographie :
• S. Huard, ‘Polarisation’, Ed. Masson (1994).
• J.Perez « Optique », Ed. Dunod (2000).
• Born M., and Wolf E., « Principles of Optics », Cambridge University Press (1999).
• Physique des diélectriques (J.C. Peuzin et D. Gignoux, EDP Sciences)
• J. Perez "Optique", Ed. Dunod (2000).
Sigle-Semestre : MatCOND2-Maths-S8
Objectifs : L'objectif de ce module est de compléter le module de matière condensée 1 dédié à
l'étude de la structure électronique des solides par l'étude des propriétés vibrationnelles des
solides, de consolider les bases de mathématiques introduites en première année et d'introduire
des notions de traitement du signal.
Ce module comporte deux parties : La première partie est une introduction au concept de
phonons et montre en quoi les vibrations des atomes autour de leurs positions d'équilibre
affectent les propriétés des solides. La deuxième partie a pour objectif d'introduire de nouveaux
outils mathématiques intervenant dans de nombreux champs de la physique. Deux TP viendront
compléter ce module: l'un portant sur la spectroscopie IR, l'autre sur la spectroscopie Raman.
Pré́ -requis : Notions de mathématique, de mécanique quantique et de physique statistique acquises
en première année.
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•
•
•
MQ-STAT-S5
Maths-VIB-S5
THERMO-PHYSTAT-S6
VIB-S6
MatCOND1-S7
MQ-Spec-S7
Evaluation :
•
•
2 notes de TP
Contrôles continus
Contenu détaillé :
•
Cours-TD (Matière Condensée 12h CM, 6h TD) :
o Modes normaux de vibration, matrice dynamique, courbes de dispersion de
phonons,
o densité de modes, ondes transverses et longitudinales, vitesse de propagation du
son,
o chaleur spécifique, modèle de Debye et d'Einstein, effet Debye-Waller, dilatation
•
thermique.
Cours-TD (Mathématiques 10h CM, 4h TD):
o Application de la transformée de Fourier à la physique (optique de Fourier,
diffraction, auto et intercorrélation, tomographie…)
o Notions de traitement du signal: échantillonnage, résolution, fonction d'appareil,
produit de convolutions. Illustrations par l'exemple et lien avec les 2 TP.
o Analyse de Laplace et applications à la résolution de systèmes d’équations
•
différentielles, Analyse temps – fréquence, notions de transformée en ondelettes
TP : 2 x 8h
o Spectroscopie Infra-Rouge:
Ce TP a pour objectif d’introduire le principe et les potentialités de la spectroscopie
vibrationnelle infrarouge appliquée à la caractérisation des matériaux solides, liquides
ou gazeux. Dans une première partie, les étudiants se familiarisent avec le principe d’un
spectromètre à transformée de Fourier (Michelson), et aux paramètres clés de
l’acquisition (interférogramme) et du traitement des données (référence,
absorbance/transmittance, filtrage, TF). L’analyse détaillée de la bande d’absorption
fondamentale du monoxyde de carbone (CO) en phase gazeuse permet d’aborder la
maîtrise de la résolution spectrale et des outils d’apodisation. Dans une seconde partie,
l’application à des matériaux solides et liquides permettra d’introduire les techniques de
mesure en réflexion totale, et d’aborder la caractérisation des matériaux d’un point de
vue des propriétés vibrationnelles fonctionnelles, en lien direct avec le TP
« Spectroscopie Raman ».
o Spectroscopie Raman:
L’objectif de cette séance est d’introduire le principe et les potentialités de la
spectroscopie vibrationnelle Raman appliquée à la caractérisation des matériaux solides
et liquides. En lien direct avec le TP « Spectroscopie infrarouge », le but est
d’approfondir les notions spécifiques aux techniques de spectroscopie vibrationnelle
(symétrie et classification des modes, attribution spectrale, interprétation). Dans une
première partie, l’instrumentation Raman sera abordée (triple monochromateur, fentes,
…). Dans une seconde partie, l’application à des liquides simples permettra d’aborder la
problématique de l’attribution spectrale dans son ensemble, et de souligner la finesse
des effets perçus (effets isotopiques). Enfin, la complémentarité Raman/IR sera
soulignée au travers de l’analyse d’échantillons liquides et solides caractérisés dans la
séance « Spectroscopie IR ».
Compétences :
• Caractérisations spectroscopiques IR et Raman
• Convolution d'un signal avec la fonction d'appareil.
• Calcul d'une matrice dynamique
• Représentation des courbes de dispersion de phonons suivant un chemin dans
l'espace réciproque
• Mesures expérimentales des courbes de dispersion (diffusion de neutrons).
• Interprétation des courbes de dispersion et lien avec la vitesse de propagation
des ondes sonores (différence entre une onde acoustique longitudinale et
transverse)
• Calcul et interprétation des densités de mode de phonon
• Influence des phonons sur les spectres de diffraction X
• Calcul et ordre de grandeur des coefficients de dilatation des solides
• Matériaux à coefficients de dilatation négatifs
Bibliographie :
• L'outil mathématique, R. Petit, 3ème édition, MASSON.
• Physique de l'état solide (C. Kittel, Dunod université)
• Physique des solides (N. Ashcroft et N. Mermin, EDP Sciences)
Sigle-Semestre : PI-TP-S8
Objectifs : L'objectif de cet enseignement est de développer les compétences nécessaires au
travail d’ingénieur en faisant appel à l’initiative, à l’autonomie et à la curiosité de l’étudiant dans
le cadre de la réalisation d'un projet industriel. L’enseignement permettra d’illustrer sous forme
de travaux pratiques les notions de chimie du solide abordé dans les autres UE. .
Pré́ -requis : Notions de physique et chimie du solide acquises au niveau ESIR Matériaux 1ère
année
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MOD-AT-MINE-S5
TPMINE-S5
Ve-Ce-S8
Evaluation :
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•
Comptes-rendus de TP
Projet Industriel (Rapport écrit)
Contenu détaillé :
•
•
TP Chimie: 4 séances (17 h)
o Les travaux pratiques portent sur la préparation et la caractérisation physico-
chimique de matériaux d'intérêt technologique. L'étudiant a à sa disposition la
littérature ad hoc ainsi qu'un bref descriptif des manipulations à réaliser. Cette
forme originale laisse à l'étudiant beaucoup d'autonomie et sollicite son esprit
critique, sa curiosité et ses capacités d'organisation. Les voies de synthèses de la
chimie du solide mises en oeuvre dans cette UE sont plus particulièrement la
cristallisation, la préparation de gels et de verres. Les matériaux préparés sont
un matériau photosensible, des gels et des verres thermo-ou photochromes. Les
composés sont analysés par les méthodes traditionnelles de chimie : diffraction
des RX, analyse thermogravimétrique, dosage chimique, UV-visible et IR.
Projet industriel: (20 h)
o Un projet industriel sera réalisé en groupe de 2 à 4 étudiants. Il répondra à des
besoins ponctuels d'industriels et sera réalisé à l'Université de Rennes 1 grâce
aux infrastructures des différents Laboratoires de Recherche et encadré par des
enseignants de la spécialité Matériaux de l’ESIR. L'étudiant sera mis en situation
réelle avec les contraintes du monde du travail : un interlocuteur industriel, un
cahier des charges, des échéances à respecter...Intermédiaires entre travaux
pratiques classiques et de réels projets, les études expérimentales proposées
constituent une transition vers un véritable travail industriel.
Compétences :
• Autonomie, respect d'un cahier des charges
• Mise en place d'un protocole adapté à la problématique proposé par un industriel.
Sigle-Semestre : CO-TH-S8
Objectifs : L'objectif de ce module est d’apporter des connaissances approfondies sur la
corrosion et la thermochimie afin de comprendre la dégradation des matériaux et les équilibres
chimiques dans le but d’appréhender la synthèse de nouveaux matériaux et d'anticiper leurs
équilibres avec le milieu environnant. La première partie de ce module comprend une
description détaillée du phénomène de corrosion et s’appuie sur des travaux pratiques. La
deuxième partie traite de la thermochimie et en particulier des équilibres chimiques. Il s’agit de
prévoir le sens d’évolution d’un système en réaction chimique et d’étudier l’état d’équilibre
lorsque ce dernier est atteint, puis de prédire le déplacement de l’équilibre chimique soumis à
différentes perturbations (température, pression, composition). Les équilibres liquide-vapeur et
solide-liquide (métallurgie, verres) sont ensuite abordés.
Pré́ -requis :
•
•
CIN-ELCH-S6
THERMO-PHYSTAT-S6
Evaluation :
•
•
Contrôles continus
Compte-rendu de TP
Contenu détaillé :
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Cours-TD (Corrosion) : (Anglais) 12h CM, 3h TD, 8h TP
o Définitions – Importance technique et économique de la corrosion.
o Les mécanismes de la corrosion
o Aspects thermodynamique de la corrosion
o Aspects cinétique de la corrosion
o Passivation des métaux et alliages
o Protection électrochimique contre la corrosion
•
TP (Corrosion) : (Anglais)
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Oxydation du sodium dans l'eau en fonction du pH
Mises en évidences de piles à électrodes dissemblables
Etude d’une pile d’aération différentielle et de concentration
Etude de la surtension de réduction de H+ et de O2 sur différents métaux
Etude électrochimique de la passivation du fer, nickel, chrome et acier inox
Etude de la passivation chimique du fer par l’acide nitrique
Anodisation d’une plaque d’aluminium
Effet de la précipitation (Ag) et de la complexation (Cu) sur la corrosion
Corrosion du zinc en fonction de la pureté du métal et de l’acide
•
Cours-TD (Thermochimie) 16h CM et 7h TD :
o Introduction à la thermodynamique chimique
o Fonctions d’état F et G - Le potentiel chimique
o Les équilibres chimiques - Déplacement des équilibres chimiques - Equilibres
liquide-vapeur
o Equilibres solide-liquide - Diagrammes d’Ellingham (exemple des oxydes).
Compétences :
• Diagnostiquer et prévenir la corrosion des métaux et alliages
• Mettre en œuvre les méthodes d'étude et de protection contre la corrosion
•
Bases de la thermochimie : compréhension et prédiction des équilibres chimiques de
tous types et de leurs déplacements ; diagrammes liquide-vapeur & solide-liquide ;
analyse thermique ; pyrométallurgie
Bibliographie :
• "Corrosion et Chimie des Surfaces des Métaux", D. Landolt, Presses Polytechniques
•
•
Universitaires Romandes, 1997;
"L'oxydoréduction concepts et expériences" de Sarrazin et Verdaguer (ellipses)
"Thermochimie", C. Picard, De Boeck Université 1996 ; "Thermodynamique et Matériaux
Inorganiques" PC (Chimie), J. Mesplède, Les nouveaux Précis Bréal, Bréal Edition.
Sigle-Semestre : VeCe-S8 36h CM, 8h TD
Céramiques 18h CM, 4h TD; Verres 18h CM, 4h TD
Objectifs : L'objectif de ce module est d’apporter des connaissances approfondies sur les propriétés
physiques et chimiques des différentes classes de matériaux de type céramiques et verres et d’aborder les
relations compositions-propriétés qui permettent de comprendre les potentialités et le comportement des
matériaux. Cet enseignement traite tous les aspects de la fabrication des matériaux (depuis le choix des
matières premières jusqu’aux procédés de mise en œuvre) et leurs applications industrielles et s’adresse
ainsi particulièrement aux élèves-ingénieurs.
Pré́ -requis : Notions de chimie minérale, cristallochimie, diagrammes de phases, thermodynamique
acquises au niveau ESIR 1.
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CRIST1-S5
TPPHY-THERMO-S5
CRIST2-S6
MOD-AT-MINE-SYM-S5
TP-MINE-S5
Evaluation :
•
Contrôles continus
Contenu détaillé :
•
Cours-TD (Céramiques) :
o 1. Généralités: classification chimique des matériaux, propriétés générales des
o
o
o
o
o
•
céramiques
2. Céramiques traditionnelles (silicates).
3. Céramiques techniques utilisées en mécanique/thermomécanique et
électronique/électrotechnique
4. Céramiques réfractaires.
5. Elaboration des céramiques: préparation et mise en œuvre des poudres, procédés
céramiques, théorie du frittage et techniques.
6. Isothermes d’adsorption physique, théorie BET, surface spécifique
Cours-TD (Verres):
o 1. Définition de l’état vitreux, modèles et approches structurales.
o 2. Compositions vitreuses. Verres industriels et verres spéciaux.
o 3. Transition vitreuse et Dévitrification
o 4. Propriétés optiques et applications
Compétences :
• Acquérir de solides connaissances en élaboration et caractérisation des
matériaux céramiques et verres.
• Pour une application donnée, savoir identifier les matériaux "candidats" sur la
base de la connaissance de leurs propriétés physico-chimiques.
Bibliographie :
• Traité de Céramiques et Matériaux Minéraux, C.A. Jouenne, Editions Septima, 1984
• Des Matériaux, J.M. Dorlot, J.P. Baïlon, J. Masounave, Editions de l’Ecole Polytechnique de Montréal,
•
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•
•
•
•
1986
Matériaux et processus céramiques, P. Boch, Hermes Science publications, 2001
Propriétés et applications des céramiques, P. Boch, Hermes Science publications, 2001
Céramiques et Verres, Traité des Matériaux, J-M. Haussonne, C. Carry, P. Bowen, J. Barton, Presses
polytechniques et universitaires romandes, ISBN 2-88074-605-1, 2005
Les Verres et l’état vitreux, J. Zarzycki, Masson 1982
Le Verre, H. SCHOLZE, Springer 1977
Le verre science et technologie, J. Barton et C. Guillemet, EDP Science, ISBN : 2-86883-789-1,
2005