Programme NMF

Programme parcours Nanosciences et Matériaux Fonctionnels

Les parcours du Master Physique Fondamentale et Application est organisé en quatre semestres qui constituent chacun une spécialisation progressive. Chaque semestre comporte 30 ECTS et doit être validé indépendamment (il n’y a pas de compensation inter semestrielle). Pour valider chaque année il faut donc valider séparément les 2 semestres et pour obtenir le diplôme il faut valider les 2 années.

En semestre 1, l’étudiant se familiarise avec les bases de la physique fondamentale. Ce semestre est largement mutualisé avec les autres parcours. Il comporte toutefois un module de spécialité Physique et Technologie des Composants qui  pose les bases physique et technologiques des applications des matériaux pour la microélectronique et les nanotechnologie. Le parcours propose un stage en laboratoire de recherche en 1re année et un stage industriel ou en laboratoire d’une durée de 6 mois en 2e année.

  • Formation ouverte aux bacs +3 : Physique, Matériaux, Chimie-Physique

Le programme pédagogique vise à apporter des connaissances fondamentales en physique de la matière condensée. Il met l’accent à la fois sur les aspects théoriques et sur les applications technologiques en vue de :

  • comprendre le lien entre la structure aux échelles nanométrique et mésoscopique, et les propriétés (électroniques, optiques, mécaniques, thermiques) mesurables expérimentalement ;
  • imaginer de nouvelles nano-structures avec des fonctionnalités originales et contrôlables ;
  • maîtriser les techniques de caractérisation de pointe (STM, AFM, MEB, RHEED…) ;
  • manipuler les outils numériques nécessaires à la modélisation des nano-systèmes.

Semestre 1

  • Atomes, Molécules et Rayonnement (5 ECTS)

Responsable : Mauro ANTEZZA

Ce cours démarre par la description quantique des atomes et des molécules. Il continue par la description du magnétisme et de son lien étroit avec le moment cinétique. Il aborde ensuite les techniques de perturbation et l’interaction spin orbite. Dans une deuxième partie, ce cours traite de l’interaction rayonnement matière et des processus élémentaires d’interaction : émission spontanée, stimulée et absorption. Le problème du corps noir est abordée, de même que le modèle d’Einstein. Le cours termine sur les largeurs de raies, l’amplification optique et la physique du Laser.

Ce cours concerne les fondement de la physique moderne. Il fournit l’enseignement nécessaire à la compréhension des spectroscopies et des dispositifs optiques modernes. A ce titre il est obligatoire aux parcours à vocation recherche mais également aux parcours Pro et pluridisciplinaires.

  • Modélisation et Simulation en Physique (5 ECTS)

Responsable : David CASSAGNE

  • Introduction à l’étude des problèmes de physique sur ordinateur
    • Systèmes d’exploitation, langages, bibliothèques scientifiques.
    • Erreurs et approximations numériques.
    • Traitement des données expérimentales, techniques de visualisation.
  • Méthodes générales de résolution
  • Intégration numérique, équations différentielles,transformation de Fourier, nombres aléatoires, applications Monte Carlo, algèbre linéaire, notions d’optimisation.
  • Applications aux problèmes de physique
    • Introduction au calcul scientifique haute performance Parallélisation, Programmation orientée objet
  • Physique de la Matière Condensée 1 – Propriétés Structurales :  (5 ECTS)

Responsable : Jean-Roch HUNTZINGER

  • Structure cristalline, diffraction de Bragg, facteur de structure, extension aux systèmes désordonnés.
  • Dynamique vibrationnelle, phonons, de la chaîne linéaire au cristal 3D, courbes de dispersion, extension aux systèmes désordonnés.
  • Densité d’états vibrationnels, Chaleur spécifique, Conductivité thermique, « différences verre-cristal »
  • Physique Expérimentale (5 ECTS)

Responsable : Matthieu GEORGE

Ce module a pour but de permettre aux étudiants de confronter la réalité expérimentale à leurs connaissances théoriques. Le panel des expériences proposées couvre les domaines de la physique enseignée dans les parcours de Physique. L’étudiant doit choisir parmi ses différentes expériences celles qui lui semblent le plus proche de ses centres d’intérêts. Un effort important est fait pour intégrer les nouvelles technologies d’acquisition des données et l’utilisation des outils informatiques afin de comparer expérience et théorie. Une attention particulière est aussi portée sur la rédaction des résultats et leurs présentations sous forme de communication orale. Le travail s’organise en séance de huit heures pour laquelle un thème est choisi par les étudiants. Pour chacun des thèmes ils choisissent parmi plusieurs expériences possibles. Ils rédigent un compte rendu sur le travail réalisé. De plus, au cours du semestre ils doivent présenter oralement les résultats obtenus au cours de l’une des séances de manipulations. A l’issue du semestre, l’étudiant choisit une thématique, qu’il développe sous forme d’un rapport final et qu’il soutient oralement.

  • Physique et Technologie des Composants (7,5 ECTS)

Responsable : Thierry BRETAGNON

Physiques des Jonctions et Application

  • SC à l’équilibre – SC hors équilibre
  • Jonction p-n à l’équilibre / polarisée – Diode Electro-Luminescente, photodiode
  • Contact métal-SC, diode Schottky
  • Contact MIS
  • Transistors bipolaires
  • Transistor unipolaire – J-FET, MESFET, MOSFET

Technologie 1 :

  • Historique et rappels de la filière microélectronique
  • Introduction aux technologies de la microélectronique et de la salle blanche
  • Lithographie optique
  • Evaporation métaux – bases
  • Gravure chimique
  • Anglais 1 (2,5 ECTS)

Responsable : Sonia GOUIRAND

Semestre 2

  • Physique de la Matière Condensée 2 – Propriétés Électronique :  (5 ECTS)

Responsable : Guillaume CASSABOIS

Rappels sur la structure cristalline.

Etats de Bloch (Opérateurs de translation, Théorème de Bloch, Conditions aux limites de Born-Von Karman, Bandes d’énergie, Niveau de Fermi)

Electrons libres (Potentiel d’interaction, Densité d’états, Surface de Fermi)
Electrons presque libres: étude qualitative
Potentiel périodique: étude au premier ordre en perturbation (Rappel, Dégénérescence de l’énergie non-perturbée, Relation de dispersion-Discontinuités de l’énergie, Surface d’égale énergie)

Modèle des liaisons fortes

Semiconducteurs (Composition chimique et structure de bandes, Masse effective, Trou, Impuretés)

  • Acquisition et Traitement des Données :  (5 ECTS)

Responsable : Hervé PEYRE

Instrumentation et acquisition des données

  • Appareils de mesure numériques et interfaces (GPIB, RS232, USB).
  • Introduction aux langages de programmation adaptés à l’acquisition des données (principalement LabView).
  • Travaux pratiques : Réalisation d’une chaîne de mesure comportant le capteur et l’interfaçage.

Traitement informatique des données

  • Notions de base sur les interconnexions de réseaux d’information : adressage d’une chaîne de mesure
  • Traitement / exploitation des données – Utilisation avancée de tableurs-grapheurs
  • Introduction au concept de base de données relationnelle (BDD). Utilisation de BDDs. Introduction aux représentations graphiques utilisées pour le suivi de paramètres en milieu industriel (paretos…).
  • Stage M1 Nanosciences (10 ECTS)

Responsable : Thierry BRETAGNON

Stage de 7 semaines en laboratoire ayant pour but la mise en contact avec les métiers de la recherche. Ce stage peut être effectué dans un laboratoire de recherche en France ou à l’étranger. Cependant, traditionnellement il se déroule dans l’une des deux UMR de l’Université Montpellier 2, le Laboratoire Charles Coulomb (L2C) ou l’Institut d’Électronique et des Systèmes (IES).

  • Physique Quantique Avancée (5 ECTS)

Responsable : Yohann SCRIBANO

Cette UE a pour but d’introduire et de développer différents concepts et outils fondamentaux de la physique quantique. Elle approfondit et élargit les connaissances acquises au niveau L3 et premier semestre de M1. Les thèmes abordés sont :
– Rappels et principes fondamentaux
– Introduction à la quantification des champs
– Théorie de la symétrie
– Méthode d’approximations
– Introduction à la théorie de la diffusion
– Particules identiques et formalisme de seconde quantification
– Méthodes fonctionnelles et intégrales de chemin
– Interaction lumière-matière
– Mécanique quantique relativiste et équation de Dirac
  • Physique Statistique (5 ECTS)

Responsable : Walter KOB

Ensemble grand-canonique. Statistiques quantiques. Fluides quantiques : condensation Bose-Einstein, rayonnement thermique, théorie de Sommerfeld. Transition de phases : paramètre d’ordre, ordre de la transition, théorie de champ moyen. Percolation. Croissance de surfaces.

Semestre 3

  • Physique des nanostructures (7.5 ECTS)

Responsable : Laurent ALVAREZ

Nanostructures Optiques : Etats électroniques confinés dans les structures de basse dimensionnalité ; Puits quantiques, Super-Réseaux, Fils et Boîtes Quantiques ; Propriétés optiques : du 3D à 0D ; Effets de confinement. Règles de sélection. Photoluminescence ; Applications ;

Nanotransport : Conducteurs 2D et 1D ; Application d’un champ magnétique : quantification pour un système 2D et 1D ; Longueurs caractéristiques, régimes diffusif et balistique ; Formule de Landauer. Conductance pour un système 1D à 2 contacts ; Effet Aharonov-Bohm ; Transport balistique. Effet Hall à bas champ ; Blocage de Coulomb.

Nanostructures à base de carbone : Synthèse des nanotructures à base de carbone ; Introduction sur la cristallographie des composés nanocarbonés ; Sonde locale et nanostructures à base de carbone ; Sonde structurale ; Les sondes vibrationnelles.

Nano-photonique : Introduction aux cristaux photonique. Concepts de bases (diagramme de bande photonique, diagramme isofréquenques, vitesse de groupe). Illustration par des applications : effet super prisme, phénomène ultra réfraction, indice optique négatif.. Introduction à la plasmonique : plasmons de surfaces localisés et délocalisés, méthodes d’excitations et applications aux capteurs. Introduction aux méta-matéraiux : optique tranformationnelle. Ce volet est accompagné de la construction de codes de calcul.

  • Techniques de contrôles des matériaux (5 ECTS)

Responsables : Matthieu GEORGE.

Techniques de contrôle des matériaux et des dispositifs sous forme d’une couche mince. Contrôle de paramètres électriques et magnétiques. Contrôle de paramètres structuraux. Diffusion des rayons X : diffusion en incidence rasante, courbe de basculement, f-scan et c-scan. RHEED et son utilisation in situ. Rétrodiffusion de Rutherford. Microscopie et contrôle des paramètres à des échelles différentes : microscopie optique polarisante, microscopie électronique, AFM. Spectroscopie Raman et son application au contrôle des matériaux et des dispositifs Techniques Electriques : Résistivité, Effet Hall, Magnétorésistance ; Résonance cyclotron ; Méthodes capacitives (Etude des centres profonds) Techniques Optiques : Absorption, Réflexion, Ellipsométrie, (Etude des couches minces) Luminescence Etude de la durée de vie

  • Simulation des structures quantiques (2.5 ECTS)

Responsable : Brahim GUIZAL

L’objectif de ce cours est de donner aux étudiants des éléments théoriques et de techniques d’analyse numérique dans le but de modéliser des hétéro structures de forme quelconque. Cela permettra aux étudiants de maîtriser le fonctionnement des composants électroniques ou opto-électroniques à base d’hétéro structures.

Éléments théoriques de physique du solide ; Outil d’analyse numérique ; Utilisation du logiciel Scilab

  • Anglais 2 (2,5 ECTS)

Responsable : Sonia Gouirand

  • Connaissance de l’entreprise (2,5 ECTS)

Responsable : Thierry BRETAGNON

  • Simulation en électromagnétisme (5 ECTS)

Responsable : David CASSAGNE

.Rappels d’électromagnétisme : Equations de Maxwell, propagation des ondes, diffraction, rayonnement Méthodes numériques en électromagnétisme Méthodes fréquentielles et temporelles Différences finies et éléments finis Différences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD Finite Difference Time Domain) Applications en optique guidée guides d’ondes fibres optiques Applications en photonique et nanophotonique guides photoniques et cavités cristaux photoniques dispositifs actifs Application en hyperfréquences : rayonnement des antennes Applications aux approches multiphysiques Travaux pratiques Développement de codes et utilisation de logiciels : Différences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD Finite Difference Time Domain), éléments finis, approches multiphysiques, logiciels Matlab, Comsol Multiphysics, etc.

  • Méthodes mathématiques pour la Physique Numérique (2.5 ECTS)

Responsable : Didier Felbacq

Introduction aux espaces fonctionnels (Banach, Hilbert). Éléments de théorie de la mesure (espaces L2 et de Sobolov). Introduction à la théorie spectrale des opérateurs (auto-adjoint, compacité, alternative de Fredholm, théorème spectral). Équations aux dérivées partielles: classification, formulation variationnelle, solutions faibles. Introduction à la méthode des éléments finis. Application des notions vues en cours à l’étude numérique de problèmes physiques, au moyen du logiciel MAPLE.

  • Traitement des images pour la Physique (2.5 ECTS)

Responsable : Frédéric Géniet

Construit à partir de 5 thèmes de projets abordant les thématiques les plus courantes

de traitement des images en physique, ainsi que les outils numériques utilisés :

  • Introduction à l’image numérique
  • La couleur dans les images numériques
  • Filtrage linéaire et Fourier
  • Reconnaissance d’objets et segmentation
  •  Compression et analyse avancée : Ondelettes, pyramide Laplacienne… (thème microscopie et nanophysique).

Semestre 4

  • TNanocaractérisation et Nanotechnologie (5 ECTS)

Responsable : Matthieu GEORGE

Réalisation, en salle blanche, d’un dispositif comportant plusieurs transistors MES-FET avec une longueur de grille variable. Caractérisation des transistors. Travaux pratiques de nano caractérisations (STM, AFM, MEB..).

  • Stage M2 Nanosciences (25 ECTS)

Responsable : Thierry BRETAGNON

Stage de 4 à 6 mois en entreprise/laboratoire ayant pour but l’immersion dans le monde de l’entreprise/de la recherche. Ce stage peut être effectué en France ou à l’étranger. Il commence généralement en février. Il donne lieu à rapport écrit et une soutenance orale qui a lieu au début du mois de septembre.

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