FormationsMasterPhysiqueSp. Matériaux Avancés pour les Nanosciences et l’Énergie (MANE)M2 Matériaux Avancés pour les Nanosciences et l’Energie (MANE)

Master PhysiqueSpécialité Matériaux Avancés pour les Nanosciences et l’Énergie (MANE) M2 Matériaux Avancés pour les Nanosciences et l’Energie (MANE)

Objectifs

L'enseignement proposé a pour ambition de doter les étudiants des concepts et outils nécessaires à la compréhension, la modélisation et l'analyse expérimentale des propriétés macroscopiques (mécaniques, électriques, optiques) de matériaux réalistes, présentant des surfaces, des interfaces, des défauts, en couches minces ou nanostructurés,... à partir de leur description à l'échelle de l'atome.

Pour atteindre ce but, l’enseignement s'organise autour de cinq grands axes : la physique des solides pour décrire et caractériser la structure électronique et atomique, la thermodynamique pour étudier les changements de phase, la mécanique, la physique des surfaces et les techniques de caractérisation. Au second semestre, ces concepts et outils sont développés et appliqués à des matériaux à fort potentiel applicatif dans les domaines de l’Energie-Bioénergétique et des Nanosciences.

Formation et recherche

La spécialité MANE est par essence une formation par la recherche. A l’issue du master, la grande majorité des étudiants poursuivent une thèse dans le domaine des matériaux. L’objectif de la spécialité est d’abord de les amener au niveau d’autonomie nécessaire pour mener à bien un sujet de recherche ou de R&D. Un stage de recherche de 4 mois (mars-juin) en laboratoire permet aux étudiants de mettre en œuvre concrètement leurs connaissances et d’avoir ainsi un contact direct avec le monde de la recherche.

Pré-requis obligatoires

S’adressant à des étudiants titulaires d’un M1 de Physique ou de physico-chimie des matériaux, les bases de de la thermodynamique, de la Physique statistique et de la mécanique quantique élémentaire sont supposées connues.

Pré-requis recommandés

Physique de la matière condensée ou physico-chimie des matériaux, niveau M1.

Régimes d'inscription

Cette formation est accessible en

Formation initiale
Formation continue

Compétences visées

La spécialité MANE est par essence une formation par la recherche, et à l’issue du master la grande majorité des étudiants poursuivent une thèse dans le domaine des matériaux. Les compétences à acquérir concernent l’élaboration et la caractérisation des matériaux volumiques et en couches minces. In fine, il s’agit de former des chercheurs ayant un fort potentiel de créativité et d’analyse, capables de concevoir et de mener à bien, en toute autonomie, un projet de recherche et développement dans le domaine des matériaux avancés.

Métiers visés

Stages et projets encadrés

Les étudiants effectuent notamment un module expérimental comprenant des projets expérimentaux et des travaux pratiques en salle blanche (croissance et caractérisation de nanostructures). Un stage de recherche de 4 mois (mars-juin) en laboratoire permet aux étudiants de mettre en œuvre concrètement leurs connaissances et d’avoir un contact direct avec le monde de la recherche. Ce stage fait l’objet d’un mémoire.

Volume des enseignements

  • Cours magistraux : 190 heures
  • Travaux dirigés : 60 heures
  • Travaux pratiques : 30 heures
  • Stage : 16 semaines

Enseignements délocalisés

Campus de St. Jérôme

Modalités pédagogiques particulières

L’enseignement s'articule autour de cinq grands axes faisant l’objet de cours/TDs au premier semestre : la physique des solides pour décrire et caractériser la structure électronique et atomique, la thermodynamique pour étudier les changements de phase, la mécanique, la physique des surfaces et les techniques de caractérisation. Au second semestre, ces concepts et outils sont développés et appliqués à des matériaux à fort potentiel applicatif dans les domaines de l’Energie-Bioénergétique et des Nanosciences.

Le développement de l’autonomie des étudiants est un objectif clairement affiché de la formation avec une part importante laissée au travail personnel et aux projets personnalisés.

Modalités de contrôle des connaissances

Le contrôle des connaissances est adapté à la diversité des modalités pédagogiques : présentations orales, examen écrit et oral, comptes rendus évalués,… De façon à conserver une évaluation rigoureuse du travail des étudiants, 50% de la note des UE du tronc commun correspond à un examen écrit.

Semestre 3 Spécialité MANE

[ détails ]

  • Physique des Solides : concepts et simulation (5 crédits)

    Code : ENSPHCU33Langue : Français.

    Contenu : Chapitre 1 : Systèmes d’atomes & Cohésion des solides Cohésion des solides : Approximation adiabatique ( Born-Oppenheimer ) L’approximation du potentiel effectif ( « à un électron » ) Les grands types de liaisons dans les solides : Liaison métallique, Liaison covalente & iono-covalente, Liaison van der Waals, Liaison hydrogène Mini-projet : Liaison covalente : Traitement quantique de la molécule de di-hydrogène H2. Chapitre 2 : Dynamique des atomes dans le cristal (Phonons) Vibrations des atomes dans le solide Vibrations d’un cristal cubique à un seul atome par maille Diffusion inélastique : Phonons Propriétés thermiques des solides : Chaleur spécifique, Modèles d’Einstein et de Debye Vibrations d’un cristal cubique à deux atomes par maille Vibrations d’un réseau 3D : Formalisme général ( Matrice dynamique ) Spectroscopie des phonons Traitement quantique du cristal harmonique Mini-projet : Mise en œuvre d’un calcul simple des relations de dispersion de phonons dans un cristal ( ex. : Vibrations d’un plan de graphène ou d’un plan de Cu2O, Fortran ou MatLab ). Chapitre 3 : Electrons dans les solides Electrons dans un potentiel périodique 1D : Théorème de Bloch et Structure de bandes Approche des liaisons fortes ( tight-binding ) Développement en ondes planes, Modèle des électrons quasi-libres Aspects dynamiques : quasi-impulsion, vitesse, trous, masse effective Symétrie de translation 3D et fonctions de Bloch Structure de bandes des solides : Densités d’états et points critiques Aperçu des grandes familles de calcul de structures de bandes ( semi-empiriques, ab initio,… ) Détermination expérimentale des structures de bandes Structure de bandes et surface de Fermi de quelques catégories de solides Mini-projet : Mise en œuvre d’un calcul simple de structure électronique soit via la méthode des liaisons fortes ( ex. : Structure électronique d’un plan de graphène ), soit via la méthode du pseudo-potentiel ( Calcul de la bande interdite du Si ). Chapitre 4 : Le problème à N corps appliqué aux électrons dans les solides Au-delà de l’approximation à 1-électron : Approche de Hartree-Fock Introduction à la théorie de la fonctionnelle de densité ( DFT ) : Théorème de Hohenberg-Kohn Systèmes électroniques et nucléaires en interaction : Forces sur les cœurs ioniques ( Th. de Hellmann-Feynman ) Approche itérative de la DFT : Equations de Kohn-Sham Ecrantage de Thomas-Fermi, Approximation locale du terme d’échange et de corrélation ( DFT-LDA ) et approximations spécifiques (GGA,…) Méthodes de calcul des structures de bandes basées sur la DFT Limites de la DFT : corrections de self-énergie ( Dyson ), quasi-particules ( Landau, Fermi-liquid theory ) Mini-projet : Mise en œuvre pratique de la DFT ( utilisation d’un package moderne comme Wien2K ) Chapitre 5 : Excitations collectives, Propriétés optiques et de transport Propriétés de transport électronique ( Boltzmann ) Excitations collectives d’un système d’électrons en interaction : excitons et plasmons Théorie de la réponse linéaire, relations de Kramers-Krönig Susceptibilité et fonction diélectrique ( Lindhard

    Volume horaire : 30h de CM - 

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  • Thermodynamique des matériaux (5 crédits)

    Code : ENSPHCU34Langue : Français.

    Contenu : Dans cet enseignement seront traités les deux aspects fondamentaux de la thermodynamique : aspect phénoménologique et aspect statistique. La première partie donnera une description et une interprétation de la stabilité des phases et de leurs transformations du point de vue macroscopique. L'étude des transitions de phases sera reprise dans la deuxième partie au moyen d'une approche statistique. Cette nouvelle approche permettra également d'aborder les simulations numériques. Programme : Chapitre 1 – Diffusion Chapitre 2 – Diagrammes d'équilibres entre phases Chapitre 3 – Transformations de phases dans les matériaux Chapitre 4 – Transitions de phases (aspects statistiques) Chapitre 5 – Simulations numériques

    Volume horaire : 30h de CM - 

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  • Interaction Rayonnement-Matière (5 crédits)

    Code : ENSPHCU35Langue : Français.

    Contenu : Ondes et particules-Diffusion élastique- Absorption. Section efficace d absorption. Théorème optique-Physique du rayonnement synchrotron-Diffusion élastique-Spectroscopies-Résonance Magnétique

    Volume horaire : 30h de CM - 

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  • Physique des Surfaces-Croissance (5 crédits)

    Code : ENSPHCU36Langue : Français.

    Contenu : I/ Le concept de surface (5h) I.1/ Description thermodynamique (Classification des surfaces : F, S K, Energie de surface des faces F,S et K, Contraintes de surface, Rigidité de surface, Instabilités de facettage, Instabilités Azaro-Tiller-Grienfeld…) I.2/ Description structurale ( marches, terrasses, crans, groupes ponctuels et groupes d’espace de surface, Reconstructions, Relaxations, formation de domaines de surface.. ) I.3/ Evolution thermique d’une surface ((Transition rugueuse d’une face F ou S, fusion de surface, fusion partielle de surface) II/ Introduction aux propriétés de surface (7h) II.1/ Propriétés électroniques de surface : A / Densité électronique prés d’une surface et travail de sortie (Modèle du Jellium, Approche de Lang et Kohn) B/ Etats électroniques de surface (Tamm, Shokley) C/ Comparaison des propriétés électroniques de surface des métaux de transition, des semiconducteurs, des oxydes (méthodes de calcul, courbure de bande…) D/ Magnétisme de surface II.2/ Propriétés chimiques de surface : A/ Chimie de surface (ségrégation, états de surface induits…) B/ Mécanismes d’adsorption/désorption (physisorption, chimisorption, coefficients de collage, d’accommodation, ………, cinétiques d’adsorption et de désorption, isothermes d’adsorption/désorption, potentiel de mouillage) III/ Introduction aux mécanismes de croissance : (8h) III.1/ Mécanismes de croissance sur une surface A/ Lois idéales de croissance (notion de sursaturation dans le cas de la croissance vapeur, croissance en solution, croissance en bain fondu..) B/ Croissance limitée par la diffusion ( cas des faces S, modèle BCF classique …) C/Croissance limitée par la nucléation (nucléation 2D, croissance d’une face F parfaite…) D/Croissance d’une face F réelle : (effet des dislocations émergentes, spirales de croissance….) III.2/Le cas particulier de l’épitaxie A/Le concept d’épitaxie (lois de Royer, relations d’épitaxie, effets élastiques…) B/ Approche énergétique des modes de croissance ( Description des modes de croissance Volmer-Weber, Frank van der Merwe, Stranski Krastanov , critère de Bauer, théorème de Wulff-Kaishew, transition Stranski-Krastanov , Transition 2D/3D cinétique, effets élastiques) C/ Croissance de films minces : (approximation des films minces en élasticité , modèle de Fank van der Merwe, modèle de Matthews II.3/ Description des méthodes de croissance ( Verneuil, Czochralski, Bridgman, MBE, CVD, MOCVD……. faites sous forme de séminaires ou travail bibliographique) IV/ Instabilités : (6h) IV.1/ Croissance dendritique et champ de phase A/ Introduction au champ de phase B/ Instabilité de Mullins Sekerka (théorie linéaire, analyse de stabilité linéaire, au delà de l’approximation linéaire…) C/ Croissance dendritique IV.2/ Ecoulement de marches et instabilités de croissance A/ Théorie BCF en présence de Barrière de Schwoebel et/ou d’électromigration, Instabilités de mise en paquet de marches (théorie linéaire, analyse de stabilité linéaire, au delà de l’approximation linéaire…) B/ Instabilités de méandrage (théorie linéaire, analyse de stabilité linéaire, au delà de l’approximation linéaire…) Projets tutorés ou bibliographiques ou de séminaires : (liste non exhaustive) Simulation numérique de croissance Simulation d’instabilités Méthodes de croissance Techniques d’analyse

    Volume horaire : 30h de CM - 

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  • Propriétés mécaniques des matériaux (5 crédits)

    Code : ENSPHCU37Langue : Français.

    Contenu : Ce cours de tronc commun présente les notions essentielles permettant de décrire les principales propriétés mécaniques des solides. La mise en forme des matériaux – et en particulier des métaux – a été un ingrédient essentiel du développement des sociétés humaines (âges du cuivre, du bronze, du fer. Révolution industrielle, …) et ce n’est pourtant que dans les années 1930 que les défauts cristallins responsables de la déformation plastique des métaux ont été identifiés. Aujourd’hui (début du XXIème siècle) une activité de recherche importante est consacrée à l’étude des effets de taille sur les propriétés mécaniques : Est-ce que les objets de taille nanométrique ont des propriétés mécanique différentes de celles des matériaux massifs ? Cet enseignement vise à donner une formation de base sur les propriétés mécaniques des matériaux et permettra d’aborder des questions d’actualité (micro et nano dispositifs mécaniques, nanotubes de carbone, fils d’araignée, etc) à travers en particulier des projets tutorés. Le cours est structuré en cinq grands chapitres. A l’issue de l’enseignement les étudiants effectuent individuellement ou en équipe un mini-projet qui leur permettra d’appliquer les concepts appris et d’exercer leur autonomie. Programme Chapitre 1 : Lois de comportement (4 heures) Rigide, plastique, newtonien, viscoplastique, fragile, élastique….. Comportements des différents matériaux (métaux, céramiques, composites….) Chapitre 2 : Elasticité (6 heures) Déplacement, Déformation, Contrainte, Energie élastique Tenseurs d’élasticité, rôle de la symétrie du cristal Equations d’équilibre, Tenseur de Green, Introduction aux éléments finis Elasticité de surface Mécanique du cantilever. Mécanismes de relaxation élastique Chapitre 3 : Plasticité / théorie des dislocations (9 heures) III.1/ Introduction à la théorie des dislocations Les premiers stades de la plasticité. L’échec du modèle du cristal parfait cisaillé. Nécessité de l’existence de défauts de structure. Description géométrique des dislocations, circuit de Burgers. Systèmes de glissement. Facteur de Schmidt III.2/ La physique des dislocations Champ de contrainte associé. Energie des dislocations, règle de Frank. Forces sur les dislocations, loi de Peach-Koehler. Interactions entre dislocations. Mouvement des dislocations : glissement, montée. Dislocations partielles. III.3/ Application à la déformation des matériaux à basse température : Ecoulement plastique. Source de Frank-Read. Contrainte de Peierls et glissement. Obstacles au glissement : durcissement par les joints de grains, la forêt, les précipités et atomes en solution. Chapitre 4 : Déformation à haute température (3 heures) Défauts ponctuels. Fluage. Montée. Chapitre 5 : Mécanique de la rupture (4 heures) Théorie de Griffith, ténacité, propagation des fissures, lois d’échelle….

    Volume horaire : 30h de CM - 

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  • Séminaires généraux (5 crédits)

    Code : ENSPHCU38Langue : Français.

    Contenu : Une dizaine d'intervenants provenant d'horizons divers. Quelques exemples des sujets abordés par le passé lors de ces séances : Les matériaux d'ITER Rôles et potentiels de l'hydraulique dans les énergies renouvellables Solaire thermique et éolien. Le point de vue d'un entrepreneur. Les nouveaux outils (nano)optique pour la biophysique Les réseaux intelligents (smart grids) La photosynthèse artificielle Les (nano)catalyseurs au service des énergies. Batteries Li-ion. Problèmes et perspectives Biomasse Les grands projet de centrales photovoltaïque Toxicologie des nanomatériaux

    Volume horaire : 30h de CM - 

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  • UE Supplémentaire CMI M2 MANE

Semestre 4 Spécialité MANE

[ détails ]

  • Module Expérimental (2 crédits)

    Code : ENSPHDU11Langue : Français.

    Contenu : Lors de ces travaux pratiques, les étudiants se familiarisent avec quelques outils spécifiques aux nanosciences, notamment les microscopies à champ proche, comme le microscope à effet tunnel et le microscope à force atomique. Une journée en laboratoire de recherche (nanolithographie (FIB) en salle blanche à l’IM2NP, diffraction de neutrons au CEA Saclay, diffraction de rayons X à l’ESRF ) est régulièrement organisée en fonction des opportunités.

    Volume horaire : 20h de TP - 

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  • Nanomatériaux et Nanosciences (5 crédits)

    Code : ENSPHDU13Langue : Français.

    Contenu : Module Nanomatériaux : Approche Top-down (salles blanches, nanolithographie, FIB,...) Approche Bottom - up (Manipulation d’atomes, croissance épitaxique, systèmes auto-assemblés,...) Méthodes physiques et chimiques de production(broyage, synthèse par chimie colloïdale, nanotubes de carbone, agrégats, micelles, nanoporeux, structures cages-oignons,...) le module « nanomatériaux » aborde prioritairement les méthodes d'élaboration

    Volume horaire : 30h de CM - 

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  • Stage et Mémoire de Recherche (18 crédits)

    Code : ENSPHDU14Langue : Français.

    Contenu : un stage de recherche de 4 mois permet aux étudiants de mettre en œuvre concrètement leurs connaissances et d’avoir un contact direct avec le monde de la recherche. Ce stage fait l’objet d’un mémoire écrit et d’une présentation orale.

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  • Bioénergétique et nucléaire (5 crédits)

    Code : ENSPHDU15Langue : Français.

    Contenu : non disponible.

    Volume horaire : 30h de CM - 

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  • UE Supplémentaire CMI M2 MANE

Informations diverses

Secrétariat des Masters Mention Physique :

Nora ALIANE-SNACEL (04 13 55 17 14 / nora.aliane@univ-amu.fr)

Secrétariat Pédagogigue de site :

Sylvie LE GALL (04 91 28 83 73 / sylvie.le-gall@univ-amu.fr) - Département de Physique

Béatrice FRIZZI (04 91 28 87 32)/ beatrice.frizzi@univ-amu.fr) - Département de Chimie (Secrétariat des masters de la mention Matériaux)

Modalités d'inscription

La spécialité M2 MANE, commune aux Mentions « Physique » et « Matériaux », est accessible aux étudiants ayant réussi le M1 de la mention Physique, mais également, pour des étudiants motivés et après entretien avec le responsable, à partir du M1 de la mention Matériaux.

La candidature et l’inscription en spécialité M2 MANE se font via l’application « e-candidat » d’AMU pour les étudiants français ou étrangers en cours de M1 dans une université française. Pour les candidats étrangers, le dépôt des candidatures suit généralement la procédure « Campus-France » pour tous les pays spécifiquement concernés par celle-ci.