M2 Matériaux en films minces et surfaces - Management industriel (apprentissage)

- Evolution du climat et de la biodiversité

- Mécanismes d'érosion de la biodiversité

- Mécanismes d'effet de serre

- transformations de société et de gouvernance

Cet enseignement s’adresse aux étudiants de licence et de master à l’université et peut être suivi par toutes les personnes de ce niveau ou d’un niveau équivalent. Son principal objectif est de faire comprendre les mécanismes du réchauffement climatique et d’érosion de la biodiversité ainsi que leurs relations avec nos modes de vie et de consommation. Il propose aussi les actions possibles pour répondre à ces enjeux.

L’enseignement se présente principalement sous forme numérique avec 60 vidéos, des
questionnaires formatifs et documents à lire (SPOC : Small Private Online Course). Il comporte aussi une part de travaux dirigés (TD) et de débats en amphithéâtre.

Cet enseignement a pour but d’éveiller les futurs ingénieurs au marketing, au commerce et business development « business to business » (BtoB). Ainsi des notions marketing et commerciales telles : les différences BtoB/BtoC seront évoquées, la définition d’une affaire (avec un grand « A »), le cycle de vie d’un produit/d’une affaire (produit aux sens composant, logiciel, équipement complexe et/ou services associés), les interactions internes/externes à l’entreprise, interactions entre commerciaux et la technique dans l’entreprise, la prospection, la notion de vente de valeur, la rencontre avec le prospect/client, la force des questions (ouvertes/fermées), la sphère décision, les objections (et comment les traiter ?), la concurrence, la négociation, la phase de décision, la réalisation de l’affaire, qu’est-ce qu’un commercial performant, 3 déclinaisons internationales singulières (Espagne, Japon, USA). L’enseignant illustre son programme en partageant ses expériences de plus de 30 ans de « business development » à l’international dans les technologies (aéronautique, impression 3D métal…). Les futurs ingénieurs pourrons ainsi appréhender les aspects commerciaux pendant leurs alternances.

Cours : Management et Assurance qualité

Introduction : Définition de la qualité et de la Non qualité et ses conséquences

Description des Processus et des sous processus industriels

Formalisation des processus par construction de logigrammes

Maitrise de la documentation qualité

Gestion de la Qualité :

Référentiels : ISO 9001

SMQ et son évaluation

Qualification des équipements de contrôle

Validation des méthodes de contrôle Audits

Amélioration continue et ses outils

Stratégies de contrôle qualité

Gestion des déviations et des hors spécifications

Etudes de cas :

Mises en situation dirigées

Cet enseignement a pour objectif d’apporter les connaissances de base permettant de comprendre, dans un contexte industriel comment mettre en place, maintenir et améliorer l’organisation des activités industrielles, l’efficacité des processus et par conséquent la qualité des produits. Il permettra d’apporter des éléments de réponse à différentes questions :

• Pourquoi mettre en place une démarche qualité,

• Comment, mettre en place, évaluer, améliorer la démarche qualité,

• Comment mesurer les retombées de la démarche qualité

• Maîtriser les notions de système qualité et de management de la qualité

• Définir et organiser la documentation qualité

• Identifier les opérations de maintenance des équipements de contrôle qualité

• Avoir acquis de bonnes connaissances en matière d’outils et de méthodologies utilisés dans les industries pour déployer et améliorer un SMQ.

Les différentes étapes indispensables à la création d'une entreprise sont abordées et illustrées à l'aide d'un exemple concret. Les volets abordés sont multiples depuis la description du projet, l'étude de marché, le financement, la mise en place des opérations... Dans une seconde partie un travail en groupe est organisé pour lequel les étudiants réalisent le montage d'un dossier de création d'entreprise à partir d'une idée originale qu'ils proposent.

Diffraction des rayons X

Après un rappel de cristallographie, le cours aborde les spécificités des méthodes de diffraction appliquées à différents types de matériaux.

Chaque point important du cours est illustré par des exemples concrets portant sur des systèmes variés allant de l'étude des poudres puis des matériaux polycristallins, texturés et épitaxiés.

Défaut dans les matériaux

Après des rappels sur les notions fondamentales utiles (cristallographie, contrainte, déformation, élasticité), on introduit en détail le concept de dislocation comme vecteur principal de la déformation plastique des matériaux cristallins (systèmes de glissement, facteur de Schmid, analogie de Mott, circuit de Burgers, processus de Volterra, déplacement et champs autour d’une dislocation, énergie élastique, notion de tension de ligne et force de Peach-Koehler). On aborde ensuite la question de la mobilité des dislocations sous contrainte et de l’effet de la température (contrainte de Peierls et double décrochement, interaction avec les électrons et les phonons) puis les interactions entre dislocations (interactions dipolaires, jonctions, annihilations, mécanisme de Frank-Read, glissement dévié et montée) avant de décrire brièvement la notion d’écrouissage (modèle de la forêt, équation d’Orowan, modèle de stockage-restauration). Enfin on aborde le rôle des surfaces et interfaces dans les matériaux, que ce soit l’effet des joints de grains pour le polycristal (loi de Hall-Peach) ou des surfaces pour les nano ou micro piliers (exhaustion), avant de mettre l’accent sur le rôle d’annihilateur de contrainte des dislocations de désaccord paramétrique dans le cas d’une couche mince déposée sur un substrat (force image, couche « revêtue », critère de Matthews, réseau de dislocations, dislocations émergentes). Les rappels et le cours sont complétés par des travaux dirigés pour s’assurer de la bonne maîtrise de ce qui a été présentés, une session de travaux pratiques destinée à se familiariser avec les méthodes de simulations est également prévue, elle permet d’étudier les réactions entre dislocations à l’aide d’un code de Dynamique des Dislocations.

MEB & EBSD

L’objectif de ce cours est de comprendre les principes physiques, les paramètres expérimentaux et les techniques analytiques associées au MEB afin de maîtriser son utilisation dans un contexte de recherche ou industriel.

En premier lieu une présentation de l’interaction électron matière et des différentes éléments constituant le microscope. Ensuite sur une partie plus appliquée nous développerons l’impact de chacun des paramètres faisceau afin de répondre à différentes cas d’application. La création / numérisation du signal sera ensuite présentée avec des notions de bruit de mesure. Les techniques classiques de métallurgie seront ensuite développées : EDS, WDS et EBSD. Le lien avec le MET pour ici être réalisé.

Enfin des cas pratique de mise en situation dans les problématiques de l’ONERA sera mis en avant notamment avec de la micromécanique associé à de la corrélation d’image.

e module aborde les méthodes de modélisation appliquées aux surfaces et couches minces par différentes méthodes.

• Partie 1 :
  • A Concepts en modélisation mésoscopique
    • Echelles d’espace et de temps
    • Modélisation particulaire
  • B Dynamique de particules dissipative
    • Dynamique : résolution des équations du mouvement
    • Nature des forces : conservative, dissipative, aléatoire
    • Expressions analytiques des forces
    • Paramètres d’interaction : corps purs et mélanges, terme de friction. Unités.
  • C Propriétés de transport
    • Définition générale et exemples
    • Coefficients de transport et dynamique de particules
  • D Généralités sur les polymères en solution
    • Volume exclu et solvant ?
    • Lois d’échelles. Modèle de Rouse, modèle de Zimm.
• Partie 2 : Méthode DFT
  • Bases théoriques de la DFT
  • Exemples d’applications en DFT (6h):
    • Comment modéliser un cristal infini
    • Comment modéliser une surface en fonction du plan de clivage
    • Comment modéliser une molécule dans le vide ou en solution (BOMD)
    • Étude structurale et énergétique de l’interaction d’une molécule avec un modèle de surface (interface solide-vide et solide-liquide).
  • Travaux Pratiques (6h) : Prise en main d’une grille de calcul internationale permettant d’effectuer des calculs multiprocesseurs afin de simuler et caractériser l’adsorption d’un groupement moléculaire sur un plan orienté d’une surface métallique.
• Selon les groupes, les sujets suivants sont abordés :
  • Lois d’échelle dans les polymères par simulation gros-grains : on utilisera un code de dynamique dissipative particulaire pour étudier l’évolution des coefficients de transport dans des polymères linéaires en fonction de leur poids moléculaire.
  • Miscibilité de polymères : on réalise des simulations gros-grains pour étudier les conditions de miscibilité dans des mélanges de polymères. Les aspects cinétiques et thermodynamiques sont examinés, en relation avec les paramètres du modèle.

Modélisation du bilan de matière en croissance réactive de couches minces (T. Minea)

Les procédés de dépôt réactif par voie physique présentent souvent un hystérésis, soit une zone d’instabilité notamment pour des flux de gaz réactif qui permettent d’obtenir la stoïchiométrie. Un bilan global sur la matière injecté dans le réacteur, ainsi que la matière évaporée ou pulvérisé, permet non seulement d’expliquer la présence de ce hystérésis, mais aussi de quantifier les flux et de maîtriser le procédé.

Conçu comme un cours – qui présente les équations de base du modèle – et des travaux pratiques avec un logiciel executable, il est possible d’explorer nombreux paramètres externes accessibles sur le procédé de dépôt (pression, flux des gaz, courant ionique, dimensions des électrodes, etc.) et ainsi de se forger une image précise du rôle de ces paramètres.

De plus, il est possible d’estimer la vitesse de dépôt, la stoechiometrie et d’identifier les paramètres clé d’un procédé.

Module DFT (Michele Amato) mutualisé avec M1 SMC (UE DFT pour la structure électronique des matériaux CM 8h et 16h TP)

Cet enseignement propose une introduction à la modélisation numérique des matériaux à partir des premiers principes, en mettant l’accent sur les fondements théoriques et les applications de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). L’objectif est de comprendre comment les propriétés électroniques, structurales et énergétiques des matériaux peuvent être prédites à partir des lois fondamentales de la mécanique quantique, sans recours à des paramètres empiriques.

La première partie présente les principes de la modélisation des matériaux à l’échelle atomique, en introduisant la théorie de la fonctionnelle de la densité, les exemples typiques de calculs ab initio, ainsi que l’évolution historique et les raisons du succès de cette approche dans la science des matériaux moderne.

La deuxième partie aborde la formulation à plusieurs corps de l’équation de Schrödinger, en détaillant les principaux concepts : interaction coulombienne, approximation des noyaux fixes (Born–Oppenheimer), approximation des électrons indépendants, principe d’exclusion de Pauli, et approximation du champ moyen. Ces notions conduisent à la présentation des équations de Hartree–Fock et des équations de Kohn–Sham, qui constituent le cœur de la DFT.

La troisième partie développe la théorie de la fonctionnelle de la densité elle-même : expression de l’énergie totale de l’état fondamental électronique, résolution auto-cohérente des équations de Kohn–Sham, approximation locale de la densité (LDA), et discussion des domaines d’applicabilité et des limites de la DFT dans la modélisation des matériaux.

Enfin, une partie pratique est consacrée à la modélisation des propriétés structurelles et électroniques d’un cristal de silicium à l’aide du logiciel libre QUANTUM ESPRESSO (https://www.quantum-espresso.org/

Connaissances sur les matériaux (structure, défauts, etc.) ; Thermodynamique
Connaissances du vide et de la physico-chimie de gaz

La première partie concerne les propriétés / structure des matériaux en couches minces, l'énergie de surface, les
moyens de la minimiser, les interactions avec le support (substrat) et les problèmes d'interface.
La seconde partie concerne les techniques de dépôt de films minces avec un focus sur la PVD et la PECVD. On
introduit le plasma comme un outil permettant d'agir à l'échelle atomique. On présente les procédés plasmas et
particulièrement de dépôt / gravure.

Les connaissances de base sur les forces et les énergies d'interaction entre les atomes formant les matériaux
Assimiler les propriétés de volume et de surface des matériaux
Introduire et assimiler les catégories des procédés de mise en forme des matériaux sous forme de films minces
Distinguer entre les procédés physiques et chimiques
Apprendre à choisir un procédé de mise en forme en fonction du matériau ou de la fonctionnalité désirée

• Introduction aux couches minces optiques : principes d’interférences, fonctions de filtre.
• Modélisation du filtre Fabry–Perot : détermination des épaisseurs optimales d’argent et de MgF₂ à partir d’un cahier des charges donné (λ₀ = 550 nm, T_max ≈ 45 %, Δλ ≈ 18 nm).
• Étalonnage des outils de dépôt : calibration des paramètres de tooling pour chaque matériau.
• Dépôt sous vide (PVD) : réalisation expérimentale de l’empilement Ag/MgF₂/Ag/MgF₂.
• Mesure spectrophotométrique : acquisition et analyse du spectre de transmission du filtre réalisé.
• Comparaison modèle/expérience : évaluation de la conformité au cahier des charges.

Ce module vise à familiariser les étudiants avec la conception, la modélisation et la réalisation expérimentale de fonctions optiques filtrantes à base de couches minces déposées sous vide.

Les étudiants découvrent la démarche complète allant du cahier des charges à la caractérisation du dispositif fini, dans une logique qualité et avec des contraintes proches de l’industrie optique.

• Comprendre les principes physiques de la PVD (Physical Vapor Deposition).
• Modéliser une fonction optique multicouche à l’aide d’un logiciel dédié (TFCalc).
• Étalonner et utiliser une balance à quartz pour le contrôle d’épaisseur en temps réel.
• Réaliser expérimentalement un empilement de couches minces (métal et diélectrique).
• Caractériser la réponse spectrale d’un filtre optique et confronter les résultats au modèle.
• Mettre en œuvre une démarche expérimentale rigoureuse : planification, mesure, ajustement.