UE Caractérisation des matériaux / Material characterization

- Comprendre comment la matière condensée cristallisée est décrite avec le réseau direct et ses symétries
- Comprendre le processus de diffraction et le réseau réciproque
- Étude des techniques expérimentales utilisées dans l'industrie
- Connaissances des exponentielles complexes et des transformées de Fourier

 1 Bases fondamentales
    1.1 Production des rayons X et des neutrons
       1.1.1 Spectre de rayonnement synchrotron
    1.2 Interaction rayonnement - matière
       1.2.2 Construction d'Ewald et loi de Bragg
       1.2.3 Intensités diffractés et facteur de structure
2 Caractérisation par rayons X
    2.1 Méthode de Debye-Sherrer
    2.2 Méthode de fluorescence
    2.3 Méthode du cristal tournant

- Understanding how crystallized condensed matter is described with the direct lattice and its symmetries.
- Understanding diffraction processes and the reciprocal lattice.
- Study of experimental techniques used in industry
- Knowledge of complex exponentials and Fourier transforms

1 Fundamentals
 1.1 Production of X-rays and neutrons
    1.1.1 Synchrotron radiation spectrum
 1.2 Radiation-matter interaction
    1.2.2 Ewald Construction and Bragg's Law
    1.2.3 Diffracted intensities and structure factor
2 X-ray characterization methods
 2.1 Debye-Sherrer Method
 2.2 Fluorescence
 2.3 Rotating crystal method

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- Mettre en application les notions théoriques abordées en cours et en TD
- Voir les possibilités de quelques expériences de caractérisation aux rayons X des matériaux
- Se rendre compte des limitations de ces expériences

Il y a 4 expériences de caractérisation aux rayons X disponibles :
1. Expérience de Debye-Scherrer
2. Expérience de fluorescence
3. Cristal tournant
4. Diffractomètre de poudre, compteur proportionnel

Les expériences se font en binôme et chaque étudiant fait 3 expériences parmi les 4 (fluorescence, cristal tournant et soit Debye-Scherrer soit Diffractomètre de poudre).

- Applying the theoretical concepts discussed in class and in tutorials
- See the possibilities of some X-ray material characterization experiments
- Realize the limitations of these experiences

There are 4 x-ray characterization experiments available:
1. Debye-Scherrer experience
2. Fluorescence experiment
3. Rotating crystal method
4. Powder diffractometer, proportional counter

The experiments are done in pairs and each student makes 3 experiments among the 4 (fluorescence, rotating crystal and either Debye-Scherrer or Powder Diffractometer).

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- Apport des notions de base en analyse optique dans une perspective d'outil de caractérisation chimique, physique et structurale de matériaux variés
- Situer les avantages et désavantages de l'analyse optique (aussi par rapport à d'autres techniques de caractérisation)

1Introduction / Généralités
    1.1 La spectroscopie optique
    1.2 Domaines électromagnétiques
    1.3 Différents types de spectroscopie optique
    1.4 Rappels : Oscillateur harmonique, phonons
    1.5 Degrés de liberté et modes de vibration
2 Observations optiques par biréfringence
    2.1 Définitions mathématiques
    2.2 Rôle de la Symétrie
    2.3 Applications / Exemples
3 Spectroscopie infrarouge
    3.1 Introduction et formalisme
    3.2 Instrumentation
    3.3 Applications / Exemples
4 Spectroscopie Raman
    4.1 Introduction
    4.2 Théorie : Traitement classique
    4.3 Théorie : Traitement semi-quantique
    4.4 Instrumentation
    4.5 Applications / Exemples

- Contribution of basic notions in optical analysis from a tool perspective of chemical, physical and structural characterization of various materials
- To situate the advantages and disadvantages of optical analysis (also in relation to other characterization techniques)

1 Introduction / General
   1.1 Optical spectroscopy
   1.2 Electromagnetic domains
   1.3 Different types of optical spectroscopy
   1.4 Reminders: Harmonic oscillator, phonons
   1.5 Degrees of freedom and vibration modes
2 Birefringence optical observations
   2.1 Mathematical definitions
   2.2 Role of Symmetry
   2.3 Applications / Examples
3 Infrared spectroscopy
   3.1 Introduction and formalism
   3.2 Instrumentation
   3.3 Applications / Examples
4 Raman Spectroscopy
   4.1 Introduction
   4.2 Theory: Conventional treatment
   4.3 Theory: Semi-quantic treatment
   4.4 Instrumentation
   4.5 Applications / Examples

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Montrer à travers quelques exemples et illustrations le rôle important joué par les surfaces/interfaces au sein des systèmes physiques et physico-chimiques. Décrire la structure et la morphologie des surfaces/interfaces. Comprendre les concepts de base qui régissent l'équilibre mécanique et physico-chimique de systèmes comportant des interfaces Introduction à la physico-chimie des surfaces et interfaces. Présentation des différents modèles et leurs applications. Étudier les propriétés de mouillage et d'adhésion aux interfaces et le rôle particulier des surfaces et interfaces dans les systèmes de petite taille.

Chapitre 1: Exemples d'applications mettant en jeu des surfaces et interfaces
Chapitre 2: Généralités sur les surfaces, interfaces et interphases (structure, défauts, adsorption,...), évaluation d'énergie de surface
Chapitre 3: Équilibre mécanique et physico-chimique des systèmes comportant des interfaces (loi de Laplace, construction de Wulf, Relation de Herring,...)
Chapitre 4: Énergie interfaciale et ségrégation (adsorption et modèle de Gibbs, modèle monocouche), application aux systèmes binaires
Chapitre 5: Mouillabilité et adhésion, applications (dépôt de couches minces, moulage, collage, brasage, infiltration,...)
Chapitre 6: Courbure d'interface et potentiel chimique associé, applications aux petits systèmes

Show through some examples and illustrations the important role played by surfaces / interfaces within physical and physicochemical systems. Describe the structure and morphology of surfaces / interfaces. Understand the basic concepts that govern the mechanical and physico-chemical equilibrium of systems with interfaces Introduction to the physico-chemistry of surfaces and interfaces. Presentation of the different models and their applications. Study the properties of wetting and adhesion to interfaces and the special role of surfaces and interfaces in small systems.

Chapter 1: Examples of applications involving surfaces and interfaces
Chapter 2: Overview of surfaces, interfaces and interphases (structure, defects, adsorption, ...), surface energy evaluation
Chapter 3: Mechanical and physico-chemical equilibrium in systems involving interfaces (Laplace law, Wulf construction, Herring relation, ...)
Chapter 4: Interfacial energy and segregation (Gibbs adsorption and Gibbs model, monolayer model), application to binary systems
Chapter 5: Wettability and adhesion, applications (thin layers deposition, molding, bonding, brazing, infiltration ...)
Chapter 6: Interface curvature and associated chemical potential, applications to small systems

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Donner aux étudiants le vocabulaire et des notions de catalyse et de cinétique afin d'être à même de travailler en collaboration avec les utilisateurs de la catalyse.

1 Notions de catalyse hétérogène
    1.1 Introduction et définition - Historique - Catalyseurs et propriétés catalytiques, Mécanisme général de l'acte catalytique.
    1.2 Catalyse hétérogène - Domaine d'emploi : réactions et procédés catalytiques, pot catalytique - Mécanismes généraux : diffusion, adsorption-désorption, cinétique
    1.3 Catalyseurs - Classification - Synthèse - Caractérisation physico-chimique - Activation
2 Notions d'adsorption-désorption
    2.1 Chimisorption et physisorption
    2.2 Isotherme d'adsorption de Langmuir Hypothèses de Langmuir - Adsorption moléculaire d'un compose - Adsorption dissociative d'un composé - Adsorption de plusieurs composés - Autres isotherme de chimisorption
    2.3 Isotherme d'adsorption physique - Différents types d'isothermes - Isotherme BET
3 Notions de cinétique hétérogène
    3.1 Cycle catalytique
    3.2 Réaction irréversible uni-moléculaire
    3.3 Réaction irréversible bi-moléculaire - Mécanisme de Langmuir-Hinshelwood (adsorption compétitive et adsorption non compétitive) - Mécanisme de Eley-Rideal

To give students the vocabulary and notions of catalysis and kinetics in order to be able to work in collaboration with users of catalysis.

1 Notions of heterogeneous catalysis
   1.1 Introduction and definition - History - Catalysts and catalytic properties, General mechanism of the catalytic act
   1.2 Heterogeneous catalysis - Field of application: catalytic reactions and processes, catalytic converter - General mechanisms: diffusion, adsorption-desorption, kinetics
   1.3 Catalysts - Classification - Synthesis - Physico-chemical characterization - Activation
2 Notions of adsorption-desorption
   2.1 Chemisorption and physisorption
   2.2 Langmuir adsorption isotherm Langmuir hypotheses - Molecular adsorption of a compound - Dissociative adsorption of a compound - Adsorption of several compounds - Other chemisorption isotherm
   2.3 Physical adsorption isotherm - different types of isotherms - BET isotherm
3 Notions of heterogeneous kinetics
   3.1 Catalytic cycle
   3.2 Unimolecular irreversible reaction
   3.3 Bimolecular irreversible reaction - Langmuir-Hinshelwood mechanism (competitive adsorption and noncompetitive adsorption) - Eley-Rideal mechanism

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