UE Physique des matériaux / Materials physics

- Le choix des matériaux et l'optimisation de leurs propriétés magnétiques principalement dans le domaine de l'enregistrement magnétique et dans celui la spintronique sont discutés
- Montrer comment les propriétés physiques de base des matériaux ferroélectriques peuvent être exploitées dans la mise au point de dispositifs fonctionnels
- L'originalité des semi-conducteurs, la relation entre leurs propriétés physicochimiques spécifiques et leurs propriétés électriques sont présentés

1 Matériaux semi-conducteurs       
    1.1 Les matériaux semi  - conducteurs
    1.2 Le silicium massif
    1.3 Oxydation : les différents types d'oxyde, leur rôle, leur élaboration.
    1.4 Dopage (diffusion, implantation ionique ou plasma,..)
    1.5 Définition des motifs et des fonctions: photolithographie et gravure.
    1.6 Les problèmes actuels : matériaux low- ou high-k, barrières anti-diffusion
    1.7 Le « Packaging » et les connexions externes
2 Matériaux ferromagnétiques   
    2.1 Définition et rappel des propriétés les plus remarquables des diélectriques
    2.2 Différentes techniques d'élaboration de couches minces de matériaux ferroélectriques
    2.3 Deux exemples d'applications dans le domaine de microsystèmes  et de l'électronique
3 Matériaux ferroélectriques
    3.1 Rappel de propriétés des matériaux magnétiques
    3.2 Description phénoménologique du transport électrique dépendant du spin
    3.3 Applications dans le domaine d'enregistrement magnétique.
    3.4 Des applications émergentes

The choice of materials and the optimization of their properties (magnetics, electrics, optics) is crucial for device innovations and performances.
The objective of this lecture is to understand fundamental relation between semiconductors materials fundamental properties and their applications. We also focus on the fabrication of sc materials and integrated devices in clean room environment. As an example we will explain the Moore law scaling of the transistors from the beginning (2D) to now (Finlfet and GAA device).

1. Semiconductor materials fabrication for integrated devices: from wafer fabrication to IC (cleaning, oxidation, doping, lithography, etching and deposition)
2. Ferromagnetic materials: from definition to application
3. Ferroelectric materials: spin transport and emerging applications

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Renforcer la compréhension des phénomènes fondamentaux dans les domaines des semi-conducteurs, du magnétisme et des transferts thermiques par la réalisation d'expériences simples et illustratives.

4 applications de travaux pratiques seront réalisées :
1. Magnétostatique :
Carte de champ magnétique générée par un aimant et par une bobine parcourue par un courant, force d'interaction entre aimants, mesure des propriétés magnétiques de matériaux par la force d'interaction magnétique aimant/matière.
2. Électromagnétisme :
Induction magnétique dans une bobine, mesure de l'aimantation d'un aimant par induction magnétique, force de freinage électromagnétique
3. Transferts thermiques :
Mesure de la conduction thermique dans les matériaux, recherche de fuites thermiques dans un bâtiment par imagerie infra-rouge, observation visuelle des courants de convection par effet Schlieren synthétique
4. Semi-conducteurs :
Caractérisation électriques  de diodes, mesure d'éléments photosensibles (photorésistantes, cellules photovoltaïques)

To strengthen the understanding of fundamental phenomena in the fields of semiconductors, magnetism and heat transfers by carrying out simple and illustrative experiments.

4 practical work applications will be carried out:
1. Magnetostatic:
Magnetic field map generated by a magnet and by a coil powered by a current, interaction force between magnets, measurement of the magnetic properties of materials by the magnetic interaction force between magne and matter.
2. Electromagnetism :
Electromagnetic induction in a coil, measurement of the magnetization of a magnet by electromagnetic induction, electromagnetic braking force.
3. Thermal transfers :
Measurement of thermal conduction in materials, detection of thermal leaks in a building by infrared imaging, visual observation of convection currents by synthetic Schlieren effect
4. Semiconductors :
Electrical characterization of diodes, characterization of photo electric devices (photoresistor, photovoltaic cells)

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- Comprendre et modéliser les mécanismes physiques de propagation des ondes sonores, mécaniques (corde vibrante) et électromagnétiques.
- Quantifier les transferts d'énergie dans un milieu et à l'interface entre deux milieux
- Aborder les mécanismes de superposition d'ondes dans le domaine des battements, des ondes stationnaires et des interférences

Introduction : représentation mathématique d'une onde se propageant, mesure de la vitesse de la lumière,  loi de Descartes, effet Doppler.
1. Propagation : mécanisme de propagation de l'onde acoustique, mécanique (corde vibrante) et électromagnétique
2. Impédance : impédance acoustique, de la corde vibrante et électromagnétique. Réflexion, transmission.
3. Énergie : énergie acoustique et électromagnétique. Transmission de l'énergie
4. Superposition d'ondes : Battements, ondes stationnaires, interférences

- Understand and model the physical mechanisms of sound, mechanical (vibrating string) and electromagnetic wave propagation.
- Quantify energy transfers in a medium and at the interface between two media
- Address wave superposition mechanisms in the field of beat, standing waves and interferences

Introduction: mathematical representation of a propagating wave, measurement of the speed of light, Descartes law, Doppler effect.
1. Propagation: acoustic, mechanical (vibrating string) and electromagnetic wave propagation mechanism.
2. Impedance: acoustic, vibrating string and electromagnetic impedance. Reflection, transmission.
3. Energy: acoustic and electromagnetic energy. Energy transmission
4. Superposition of waves: Beats, standing waves, interferences.

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Présentation des méthodes de caractérisation des matériaux sur site industriel.

1 Ultrasons
    1.1 Onde ultrasonore et faisceau ultrasonore
    1.2 Interactions des ultrasons et de la matière (impédance, transmission, réflexion)
    1.3 L'effet Doppler
    1.4 L'échographie
2 Émission acoustique
    2.1 Introduction à l'E.A. : principes, bases théoriques
    2.2 Propagation des ondes, atténuation,
    2.3 Instrumentation, capteur, méthodes d'étalonnage
    2.4 Localisation des sources EA : méthodes et algorithmes
    2.5 Sources d''EA dans les composites, les métaux,
    2.6 EA et corrosion
3 Radiographie
    3.1 Radiographie par rayons X
    3.2 Radiographie aux neutrons

Introducing Non Destructive Control methods in an industrial plant.

1 Ultrasound
    1.1 Ultrasonic wave and ultrasonic beam
    1.2 Interactions of ultrasound and matter (impedance, transmission, reflection)
    1.3 The Doppler Effect
    1.4 Ultrasound
2 Acoustic emission
    2.1 Introduction to the A.E.: principles, theoretical foundations
    2.2 Wave propagation, attenuation,
    2.3 Instrumentation, sensor, calibration methods
    2.4 Location of AE sources: methods and algorithms
    2.5 Sources of AE in composites, metals,
    2.6 AE and corrosion
3 Radiography
    3.1 X-ray radiography
    3.2 Neutron Radiography

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Mise en pratique des méthodes d'analyse des surfaces traitées dans le cours "Méthodes d'analyse des surfaces" du semestre 7 (AFM, STM, XPS, MEIS)

- AFM: différents modes d'utilisation (contact, contact intermittent..), courbe approche-retrait, impact des paramètres d'asservissement
- STM: étude d'un échantillon HOPG, étude de la structure atomique, courbes I(V) et I(z)
- XPS: étude de la composition chimique à la surface d'un échantillon
- MEIS: étude de la structure à la surface d'un échantillon par faisceau d'ions

Practical application of the theorie treated in the "Surface Analysis Methods" lecture of semester 7 (AFM, STM, XPS, MEIS)

- AFM: different operating modes (contact, intermittent contact...), approach-retract curve, impact of feedback parameters
- STM: study of a HOPG sample (atomic structure), I(V) and I(z) characteristics
- XPS: study of the chemical surface composition of a sample
- MEIS: study of the surface sample structure by ion beam analysis

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