UE Physique et matériaux / Physics and materials

Cette deuxième partie du cours sur les propriétés électriques de la matière porte principalement sur l'étude des matériaux semi-conducteurs.

Nous aborderons tout d'abord la théorie des bandes, en montrant qu'elle permet d'introduire un matériau à  mi-chemin entre le conducteur et l'isolant. Ainsi des notions de physique du solide seront abordées telles que les notions de gap, zones de Brillouin et énergie de Fermi. Pour arriver à  la classification des matériaux via la théorie des bandes nous montrerons comment le modèle de l'électron libre doit être amélioré via des corrections quantiques. Nous développerons à  titre d'exemple le modèle du puits carré introduit par Kronig et Penney. Les notions de gap direct et indirect seront aussi abordées.
Une fois les bases de physique du solide établies, nous aborderons les semi-conducteurs intrinsèques et extrinsèques pour aboutir à  la jonction pn et ses applications électriques et optiques (diodes électroluminescentes, diodes laser, photorésistances,...).
Nous étudierons ensuite le contact métal/semiconducteur (diodes schottky) puis nous terminerons par les transistors MOS et bipolaires.

1 Physique du solide
    1.1 Conduction électronique : approche classique
    1.2 Corrections quantiques
    1.3 Électrons liés / puits de potentiel
    1.4 Zones de Brillouin, surfaces de Fermi, gap direct et indirect
2 Les semi-conducteurs
    2.1 La jonction p-n
           - Semi-conducteur intrinsèque et extrinsèque
           - La jonction p-n au repos
           - La jonction p-n sous polarisant
           - Diodes p-n réelles
    2.2 Les diodes et les transistors
           - Diodes pn : applications
           - Diode Schottky
           - Transistor MOS
           - Transistor Bipolaire

This course aims at introducing and studying semi-conductors.

1 Physics of Solids
    1.1 Classical model: electronic conduction
    1.2 Quatum corrections
    1.3 Electrons liés / puits de potentiel
    1.4 Brillouin zones, fermi surfaces, direct gap and indirect gap
2 Semi-conductrors
    2.1 P-N junction
           - Intrinsic semi-conductor and extrinsic semi-conductor
           - P-N junction
           - Polarized P-N junction
           - P-N diodes
    2.2 Diodes and trnasistors
           - P-N diodes: applications
           - Schottky Diode
           - MOS Transistor
           - Bipolar Transistor

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- Présenter les différentes étapes de l'élaboration des alliages métalliques (solidification et traitements thermiques).
- Montrer l'incidence des paramètres d'élaboration sur la structure finale du matériau en s'appuyant sur une description des concepts de thermodynamique et cinétique

1. Diffusion dans les systèmes binaires
   1.1 Force motrice - aspect macroscopique (flux - Fick)
   1.2 Aspect microscopique - cinétique - coefficients de diffusion
2  Transformations liquide-solide et solidification
   2.1 Introduction :  paramètres - procédés - structures (macro / micro)   
   2.2 Nucléation - croissance   
   2.3 Redistribution de soluté    
   2.4 Forme de l'interface  solide-liquide : front plan - cellules - dendrites
   2.5 Microstructures cellulaire et dendritique    
   2.6 Solidification eutectique    
   2.7 Solidification péritectique   
3 Transformations en phase solide et traitements thermiques
   3.1 Forces motrices - interfaces   
   3.2 Transformations par germination-croissance
   3.3 Précipitation continue (durcissement structural - alliages Al 2000)   
   3.4 Précipitation cellulaire : transformation eutectoïde    
   3.5 Transformation displacive : transformation martensitique   
   3.6 Transformation bainitique    
   3.7 Diagrammes TRC et TTT / Traitements thermiques

- Illustrate different aspects of the processing routes of metallic materials: solidification, heat tretament.
- Show how the processing routes can affect the microstructures relying on Thermodynamics and kinetics concepts.

1. Diffusion in binary systems
   1.1 Driving force - macroscopic description of diffusion (Fick's Law)
   1.2 Microscopic description of diffusion - Kinetics - Diffusion coefficients
2  Solidification
   2.1 Introduction    
   2.2 Nucleation - Growth
   2.3 Solute distribution
   2.4 Liquid/Solid interfaces : planar vs. cellular vs. dendritic
   2.5 Cellular and Dendritic microstructures
   2.6 Eutectic solidification   
   2.7 Peritectic solidification
3 Solid State phase Transformations
   3.1 Driving Force - interfaces   
   3.2 Nucleation/Growth phase transformation
   3.3 Continuous precipitation (precipitation hardening, e.g. Al-alloys)   
   3.4 Eutectoid transformation    
   3.5 Displacive Transformation : Martensitic Transformation   
   3.6 Bainitic Transformation
   3.7 CCT and TTT Diagrams / Heat Treatment

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- Illustrer l'incidence des paramètres d'élaboration (solidification, traitements thermiques)  sur la microstructure finale des alliages métalliques.
- Montrer le rôle de la microstructure sur quelques propriétés d'emploi (comportement en traction)

1) Solidification d'alliages Al-Cu
   - Concepts illustrés : Transformation de phases solide-liquide - Aspect cinétique : micro-ségrégation du cuivre lors de la solidification (modèle de Scheil-Gulliver)
   - Outils  : Coulée en lingotière - analyse thermique - métallographie - microscopie optique - analyse d'images
2)  Trempe et revenu des aciers
   - Concepts illustrés : Transformations de phases (displacives et diffusives) à  l'état solide Rôle de la microstructure sur les propriétés des aciers (dureté)
   - Outils  : Fours de traitements thermiques - essais de dureté - essai de résilience - métallographie
3)  Micrographies des fontes et des aciers
   - Concepts illustrés : Étude des microstructures en relation avec la composition des alliages et les diagrammes de phases - Expertise d'une pièce de fonderie présentant différentes microstructures liées aux conditions de solidification des pièces (transitions entre phases métastables et phases stables)
   - Outils : métallographie - microscopie optique - essai de dureté
4) Diffusion dans le système Cu-Zn
  - Concepts illustrés : formation de phases intermédiaires dans un couple de diffusion - relation avec le diagramme de phases - aspect cinétique (croissance des couches)
  - Outils : métallographie - microscopie optique
5) MEB
  - Concepts illustrés : interactions électrons-matière
   - Outils: microscopie électronique à  balayage: contraste topographique, contraste chimique, EDX, EBSD.

- Illustration of process parameters on the microstructures
- Relationship between microstructure and properties.

1) Solidification of Al-alloys
2) Heat treatments of steel and martensitic transformation
3) Microstrcutrues of Steels and Cast Irons
4) Diffusion in Cu-Zn binary system
5) SEM: interacxtions between materials and electrons, imaging contrast...

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