M2 Matériaux fonctionnels et applications

un langage informatique (python ou javascript, R, etc.)

L'UE couvrira les poins suivants : - Présentation IA pour la science des matériaux -Introduction aux diverses méthodes - méthodes classification / régression - Optimisation Bayésienne
Cours Théoriques + sessions pratiques en python (exemples concrets d'applications)

S'initier aux diverses techniques d'apprentissage automatique (machine learning) avec des applications en science des matériaux.

L'enseignement sera effectué en partie sous forme de cours théorique d'introduction aux méthodes et à l'IA, complété par des TP en python permettant d'illustrer différentes méthodes avec des exemples concrets - Mini projet évaluer sur un cas d'étude précis

Deep learning, Ian Goodfellow, yoshua Bengio, Aaron Courville, MIT Press (2016)

Notions de chimie des solides, défauts, structures cristallines

Cette UE aborde la synthèse, structure est propriétés des matériaux fonctionnels modernes notamment la
supraconductivité, la ferro électricité, les nouveaux enjeux tels que le recyclage d’énergie (piézoelectricité) ou
encore le stockage de données (mémoires à 4 états, matériaux multiferroïques…)

Prendre conscience du lien étroit entre symétrie, cristallographie et propriétés des matériaux fonctionnels

L’enseignement sera effectué sous forme de cours, séminaires (intervenants extérieurs par exemple), et également
des TD-études de cas (exemple : article scientifique, revue de presse sur de récentes technologies ou produits
innovants, etc…)

Z. Ye, Handbook of Advanced Dielectric, Piezoelectric and Ferroelectric Materials: Synthesis, Properties and
Applications, 2008

Notions de chimie des solides, thermodynamique

L'UE comprend deux parties: 1-Elaboration de nanomatériaux par voie de chimie douce, 2-Elaboration des matériaux polycristallins ou monocristallins "massifs".  Les deux parties du cours s'attachent à développer les différentes stratégies à mettre en œuvre pour élaborer des matériaux inorganiques sous forme nanocristalline ou sous forme massive.
L'objectif principal de la première partie est de montrer comment la maîtrise des réactions de polymérisation en solution et du procédé de mise en forme permettent de façonner un matériau sur mesure
L'objectif de la seconde partie est d'exploiter la connaissance des diagrammes de phase pour mettre en œuvre des stratégies de synthèses de matériaux polycristallins (nanostructurés ou non) ou polycristallins, en prenant en compte l'existence des défauts.

maîtriser des outils de mise en forme des matériaux et proposer des éléments de stratégie
Prédire l’évolution d’un système hors-équilibre et estimer sa vitesse d’évolution
A partir de la connaissance d’un diagramme de phase, établir une stratégie de synthèse et de mise en forme pour un matériau inorganique massif polycristallin ou monocristallin
A partir de la connaissance des réactions de polymérisation inorganique en solution, établir une stratégie de synthèse et de mise en forme pour un oxyde de n’importe quel cation de la classification périodique

L'enseignement sera effectué sous forme de cours, et de TD-études de cas issus d'articles scientifiques

* B.R. Pamplin, « Crystal Growth », Pergamon Press
* W.D. Callister, « Fundamentals of materials science and engineering », Hoboken
* F. Bensebaa, « Nanoparticle Technologies From Lab to Market », Academic Press
* D. Bernache-Assollant et coll., « Chimie Physique du Frittage », Hermès
* J.F. Marucco, « Chimie des Solides », EDP Sciences *C. J. Brinker, G. W. Scherer "Sol-gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-gel Processing", Gulf Professional Publishing, 1990
*J.-P. Jolivet, " De la solution à  l'oxyde."InterEditions / CNRS éditions, 1994.

Base de chimie des solides, thermodynamique des solides, diagramme de phase, base sur les propriétés mécaniques des matériaux.

Matériaux vitreux : notions de formateurs, Structure des verres silicatés et spectroscopies Raman et RMN.
Relation structure propriétés physico-chimiques des verres d’oxydes
Méthodes d'élaboration du verre
Techniques d'évaluation/caractérisation des propriétés physiques du verre
Verres intelligents/fonctionnels: de l'élaboration à l'application 
Verre de confinement de déchets nucléaires
Fibres optiques

Décrire les grands domaines d’application des verres d’oxydes
Décrire les différentes méthodes d'élaboration du verre
Identifier les méthodes de caractérisation des propriétés physiques et chimiques d'un verre
Etablir la relation entre méthode d'élaboration, composition et propriétés physiques et chimiques du verre

*Fundamental of inorganic glasses, A.K. Varshneya, J. C. Mauro, Elsevier, 2019
* Encyclopedia of Glass Science, Technology, History, and Culture, P. Richet, Wiley, 2021

« Structure de la matière » et notions de « Classes de matériaux »

Ce cours a pour objectif l’introduction aux techniques modernes de caractérisation des solides à la fois de leurs structures et leurs propriétés électriques. Les deux parties ont le même poids dans l’ensemble.

La partie « Caractérisation structurale » comportera une description des méthodes avancées de caractérisation par rayons X et notamment la détermination structurale des poudres cristallines et la diffraction résonante. D’autre aspects de la physique des rayons X et leurs applications seront abordées : absorption X (EXAFS) et diffraction en incidence rasante, permettront de donner des compétences générales pour l’étude structurale dans la science des matériaux.

Le deuxième volet sera dédié à la caractérisation « électrique » des matériaux par des techniques récentes d’impédance complexe, d’effet Hall ou propriétés associées telles que l’effet Ettinsghausen.

Maitrise des techniques avancées de caractérisation des matériaux

*M. van Meerssche, J. Feneau-Dupont, Introduction à la cristallographie et à la chimie structurale, , éd Peeters, Leuven, 1984
*J. Als-Nielsen, D. McMorrow, Elements of Modern X-ray Physics, John Wiley and sons, Ne York, 2004
*G. Burns, M. Glazer, Space groups for solid state scientists, Academic Press, 2013

Le sujet sera en lien avec les thématiques portées par ce Master mais peut prendre prendre plusieurs formes, comme l'expérimentation, la simulation / modélisation, ou encore l'étude bibliographique, etc.

S"initier aux techniques expérimentales spécifiques du domaine
Développer une démarche scientifique rigoureuse
Intégrer une équipe de recherche et comprendre son écosystème
Maîtriser les codes de l'écriture d'un article scientifique

Cette immersion en laboratoire prend la forme de 10 demi-journées au sein d'une équipe de recherche, avec un temps distribué sur le premier semestre.

- 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.

Thermodynamique, diagramme de phases, diffusion, langage Python

Cette unité d'enseignement a pour premier objectif de présenter la modélisation de la thermodynamique des alliages et des calculs de diagrammes de phase qui sont indispensables à la compréhension de ces matériaux. Le cours s'appuie sur l'utilisation de la méthode Calphad à travers l’utilisation du logiciel Thermo-Calc et des travaux pratiques sont proposés afin de déterminer les propriétés thermodynamiques et les diagrammes de phases d'alliages multicomposants, dans un premier temps. Dans un second temps, une introduction à la conception d’alliages à travers une optimisation multicritère est réalisée.

Le second objectif est la description de la microstructure des alliages multiphasés à l'aide de modèles continus permettant la description de la matière à une échelle intermédiaire entre l'échelle atomique et l'échelle macroscopique. Ces modèles, appelés modèles de champ de phase, sont très versatiles et peuvent s'appliquer à la description de nombreux phénomènes. Ils servent notamment à la description de la structuration interne des matériaux (grains, précipités, fissures,...) qui conditionne largement les propriétés mécaniques.

Le cours expose les bases théoriques de ces méthodes et leurs liens avec la thermodynamique et la diffusion, puis détaille les modèles génériques les plus simples (Allen-Cahn et Cahn-Hilliard), ainsi que des modèles décrivant la fracturation des matériaux.  Ces modèles, qui se traduisent au final par des équations différentielles, sont intégrés numériquement en utilisant de courts programmes en langage Python. Les étudiants peuvent ainsi approfondir leur compréhension de phénomènes essentiels gouvernant le comportement mécanique des matériaux : précipitation, décomposition spinodale, vieillissement, fracturation. 

Les séances de cours sont complétées par des travaux dirigés et des mises en pratique numériques. Les outils mathématiques nécessaires (transformée de Fourier, opérateurs différentiels) sont rappelés et appliqués au travers d’exercices.

Modéliser numériquement la thermodynamique et la microstructure des matériaux

L'enseignement est effectué sous forme classique avec séances de cours, de TD et de TP

Phase-Field Methods in Material Science and engineering 
Auteur(s) : Nicolas PROVATAS, Ken ELDER
Wiley-VCH, 1988, P875 V1 (2010).

Phase-field models
Auteur(s) : Mathis PLAPP 
Handbook of Crystal Growth, 2nd edition, Vol. 1A, edited by T. Nishinaga, Elsevier (2015).

Mathématiques (probabilités et statistique), Physique et chimie du solide (notions de base), Thermodynamique et cinétiques à l’état solide (notions de base)

Cette UE vise à présenter les principales familles de simulations à l’échelle atomique en science des matériaux, en apportant les connaissances nécessaires pour concevoir et réaliser un projet dans lequel ces simulations interviennent sans pour autant avoir besoin de programmer un algorithme en particulier, mais en présentant tout de même les principaux outils mathématiques et numériques de base inhérents à la résolution des équations sous-jacentes à ces simulations. Elle est séparée en quatre grandes parties : i) Le monde vue à l’échelle atomique ; ii) Décrire les interactions entre atomes ; iii) Les méthodes standard de simulation  à l’échelle atomique ; iv) Les méthodes avancées de simulation à l’échelle atomique. Une large part du temps dévolu à cette UE consiste à réaliser des mini-projets directement sur machine afin de rendre concret les concepts et techniques abordés en cours. Même si les exemples traités dans cette UE concernent les métaux et alliages métalliques, les mécanismes élémentaires et les méthodes présentées sont adaptables à d’autres classes de matériaux.

S'initier à la simulation numérique à l'échelle atomique.
Maîtriser les méthodes standard et connaître leurs avantages et inconvénients
S'initier aux méthodes avancées et connaître les limites des méthodes standard qu'elles permettent de franchir.

Cours et mini-projet encadré

* V. Brazdova et D. R. Bowler, « Atomistic Computer Simulations: a practical guide », Wiley-VCH
* T. J. H. Vlugt et coll., « Introduction to Molecular Simulation and Statistical Thermodynamics », available from http://www.phys.uu.nl/∼vlugt/imsst
* D. S. Sholl et J. A. Steckel, « Density Functional Theory: a Practical Introduction », John Wiley & Sons
* D. Frenkel et B. Smit, « Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applcations », Computational Science Series
* M. P. Allen et D. J. Tildesley, « Computer Simulation of Liquids », Oxford Science Publications
*D. P. Landau et K. Binder, « A guide to Monte Carlo Simulations in Statistical Physics », Cambridge University Press
*M. T. Dove, « Structure and dynamics: an atomic view of materials », Oxford Master Series in Condensed Matter Physics
*J. Singleton, « Band theory and electronic properties of solids », Oxford Master Series in Condensed Matter Physics

Notions de mécanique quantique. Notions du modèle de bandes. Modèle du champ cristallin et des orbitales moléculaires. Spectroscopie des éléments de transition.

L'UE comprend deux parties. La première partie est centrée sur les propriétés magnétiques des matériaux moléculaires formés de molécules paramagnétiques isolées. On s'intéresse aux molécules comprenant un et plusieurs centres magnétiques ce qui permet d'aborder le mécanisme de l'interaction d'échange et son influence sur les propriétés des complexes. La deuxième partie est centrée sur les propriétés magnétiques collectives au sein des solides. La notion d'électronique de spin est abordée et son application pour les capteurs magnétiques ultrasensibles.

Analyse de données magnétiques et interprétation des résultats de mesure de SQUID pour les matériaux moléculaires. Compréhension de la nature physique de l'anisotropie magnétique au niveau microscopique et macroscopique. Compréhension de la nature de l'interaction d'échange.

Cours et devoirs à rendre (non notés, mais corrigés en classe)

Molecular Magnetism, Olivier Kahn, VCH Publishers, 1993.

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

Partie 1 - Propriétés / structure des matériaux en couches minces ; énergie de surface et moyens de la minimiser ; interactions avec le support (substrat) et les problèmes d'interface.
Partie 2 - Techniques de dépôt de films minces avec un focus sur la PVD et la PECVD ; Introduction du plasma comme un outil permettant d'agir à l'échelle atomique ; Présentation des procédés plasmas et de dépôt / gravure.

Connaître 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

Un stage d'une durée de 4 mois minimum est obligatoire afin de valider l'année. Ce stage doit se dérouler dans un laboratoire de recherche académique ou industriel, sur un sujet en lien avec les matériaux.

Maîtrise des outils de caractérisation simples et avancés (appui des plateformes d’enseignement et de recherche)

L'évaluation du stage consiste dans l’analyse du rapport de stage, de la soutenance orale mais aussi sur la base de
l’évaluation de la conduite dans l'équipe d'accueil et le travail effectué.