cours physique des matériaux I smp s5 FS Rabat

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cours + des applications corrigés de physique des matériaux 1 smp s5 FS Rabat

UNIVERSITE MOHAMMED V-AGDAL
Faculté des Sciences
Département de Physique
Rabat
UM5A FSR RABAT

Filière: Science de la Matière Physique
(SMP)/ Semestre 5
Module: physique des matériaux 1
Pr. A. Belayachi , Pr. M. ABD-LEFDIL

Filière SMP– Semestre 5 - PHYSIQUE DES MATERIAUX I

Module 30 : Physique des Matériaux: Cours 18H, TD 18H et 8H de TP
- Introduction à la physique des matériaux : Compléments de cristallographie, Réseau
réciproque, diffraction X, Classification des matériaux
- Propriétés physiques des matériaux : propriétés électroniques, théorie des bandes,
distribution des électrons dans les métaux, isolants et semi-conducteurs, conductivité
électrique, propriétés thermiques, vibration du réseau (phonons), conductivité thermique,
chaleur spécifique, propriétés électriques, ferroélectricité, piézoélectricité, diélectrique,
Propriétés magnétiques, diamagnétisme, paramagnétisme, ferromagnétisme.


contenu:
Les réseaux direct et réciproque
Les structures usuelles
Diffraction des rayonnements par les solides
Les nouveaux matériaux
Energie de cohésion des solides
Constantes d’élasticité et ondes élastiques
Phonons et vibrations du réseau
Théorie de Drude pour les métaux
Matériaux conducteurs
Matériaux semi-conducteurs
Matériaux supraconducteurs
Matériaux diélectriques (SMP 6)

cours physique des matériaux s5

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Date de publication : 21/07/2016
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Voir aussi:
résumé sur phonons et vibrations des réseaux physique des matériaux 1 smp5
TD corrigés physique des matériaux I smp s5 FS Rabat
contrôles de TP + des TP corrigés physique des matériaux I smp s5 FS Rabat
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les sommaires:

1-version 2015-2016

le programme:
Département de Physique
Laboratoire de Physique des Matériaux
Physique des Matériaux I
LICENCE SCIENCES DE LA MATIERE PHYSIQUE
SEMESTRE 5
COURS – TRAVAUX DIRIGES – TRAVAUX PRATIQUES
Pr. A. Belayachi

PROGRAMME – SEMESTRE 5 – 2015/2016
SEQUENCE 1: LA CRISTALLOGRAPHIE
Chapitre 1: Les réseaux direct et réciproque
Chapitre 2: Les structures usuelles
Chapitre 3: Diffraction des rayonnements par les solides
Chapitre 4: Les nouveaux matériaux
SEQUENCE 2: COHESION ET DYNAMIQUE DU RESEAU
Chapitre 5: Energie de cohésion des solides
Chapitre 6: Constantes d’élasticité et ondes élastiques
Chapitre 7: Phonons et vibrations du réseau
SEQUENCE 3: PROPRIETES DE TRANSPORT
Chapitre 8: Matériaux conducteurs
Chapitre 9: Matériaux semi-conducteurs
Chapitre 10: Matériaux supraconducteurs
Chapitre 11: Matériaux diélectriques (SMP 6)

BIBLIOGRAPHIE
1. INTRODUCTION A LA PHYSIQUE DE L’ETAT SOLIDE
Charles Kittel - Dunod-Université (3ème edition)
2. PHYSIQUE DE L’ETAT SOLIDE
Charles Kittel - Sciences Sup – Dunod (8ème edition)
3. PHYSIQUE DES SOLIDES
Neil W. Aschkroft et N. David Mermin – EDP Sciences
4. INITIATION A LA PHYSIQUE DU SOLIDE – EXERCICES COMMENTES
J. CAZAUX – Masson Editeur
5. PHYSIQUE DE LA MATIERE CONDENSEE
Hung T. Diep - Sciences Sup – Dunod
6. PHYSIQUE DES MATERIAUX
Yves Quéré – Cours de l’Ecole Polytechnique - Ellipses
7. Cours : Introduction à la physique des matériaux

LISTE DES TRAVAUX PRATIQUES
TP 1. Etude des réseaux de Bravais
TP 2. Etude de quelques structures usuelles
TP 3. Analyse des structures par diffraction des rayons X
TP 4. Mesure de la conductivité électrique des matériaux


Chapitre 1
LES RESEAUX

Introduction générale
La cristallographie et la structure des matériaux
Les grandes dates dans l’histoire de la cristallographie
1. Le réseau direct
2. Classification des réseaux de Bravais
3. Plans réticulaires et indices de Miller
3.1 Position dans la maille
3.2 Rangée
3.3 Plans réticulaires
3.4 Indices de Miller
3.5 Exemples
4. Le réseau réciproque
4.1 Construction
4.2 Généralisation
4.3 Propriétés
5. Applications + correction
Application 1 : Le réseau cubique
Application 2 : Réseau tétragonal primitif

Bibliographie
1. INTRODUCTION A LA PHYSIQUE DE L’ETAT SOLIDE
Charles Kittel - Dunod-Université (3ème édition)
2. PHYSIQUE DES SOLIDES
Neil W. Aschkroft et N. David Mermin – EDP Sciences
3. PHYSIQUE DE LA MATIERE CONDENSEE
Hung T. Diep - Sciences Sup – Dunod


Chapitre 2
LES STRUCTURES

1. Structure cristalline
1.1 Définition
1.2 Réseau à motif
2. Caractérisation d’une structure cristalline
2.1 Description
2.2 Compacité
2.3 Coordinance
2.4 Masse volumique
2.5 Existence de sites
2.6 Stabilité d’une structure
3. Empilements compacts
4. Structures usuelles
4.1 Structure du chlorure de césium
4.2 Structure des métaux alcalins
4.3 Structure du cuivre
4.4 Structure du chlorure de sodium
4.5 Structure du diamant
4.6 Structure Blende
4.7 Structure du magnésium
4.8 Structure du graphite
4.9 Structure würtzite
5. Structures particulières
5.1 Structure Fluorine type AX2
5.2 Structure pérovskite type ABX3
5.3 Structure spinelle type ABX4
6. Les défauts dans les structures
6.1 Défauts ponctuels
6.2 Remarque importante
6.3 Les joints de grains
6.4 Les dislocations
6.5 Conséquences
7. Alliages
7.1 Alliages de substitution
7.2 Alliages d’insertion
8. Structures non idéales
8.1 Croissance pentagonale
8.2 Empilement aléatoire
8.3 Polytypisme
9. Structures non cristallines
9.1 Matériaux amorphes
9.2 Cristaux liquides
10. Applications + corrections
Application 1 : Stabilité de la structure de CsCl
Application 2 : Alliages de métaux de transition


Chapitre 3
DETEREMINATION DES STRUCTURES PAR DIFFRACTION DES RAYONS X

1. Diffraction à l’échelle macroscopique
1.1 Condition de diffraction
1.2 Application de la diffraction de la lumière visible
1.3 Qu’en est-il de la diffraction à l’échelle microscopique?
2. Etude de la diffraction cristalline
2.1 Condition de diffraction par les réseaux
2.2 Le faisceau incident
2.3 Observation de la diffraction des rayons X par un réseau
2.3.1 Méthode de Laue
2.3.2 Méthode du cristal tournant
2.3.3 Méthode des poudres
3. Formulation de Bragg
4. Formulation de von Laue
5. Equivalence des formulations de Bragg et von Laue
6. Construction d’Ewald
7. Amplitude diffusée et facteur de structure
7.1 Diffusion par une particule chargée
7.2 Diffusion par un atome
7.3 Diffusion par un cristal
7.4 Facteur de structure
8. Identification des structures par DRX
8.1 Contrôle de la qualité dans la synthèse des matériaux
8.2 Identification des différentes formes allotropiques
8.3 Diffraction des rayons X par un solide amorphe
9. Applications + corrections
Application 1 : Facteur de structure du magnésium
Application 2 : Composé intermétallique

Bibliographie
1. INTRODUCTION A LA PHYSIQUE DE L’ETAT SOLIDE
Charles Kittel - Dunod-Université (3ème édition)
2. PHYSIQUE DE L’ETAT SOLIDE
Charles Kittel - Sciences Sup – Dunod (8ème edition)
3. PHYSIQUE DES SOLIDES
Neil W. Aschkroft et N. David Mermin – EDP Sciences
4. INITIATION A LA PHYSIQUE DU SOLIDE – EXERCICES COMMENTES
J. CAZAUX – Masson Editeur


Chapitre 4
LES NOUVEAUX MATERIAUX

1. Introduction
2. Les quasi-cristaux
3. Les nanostructures
3.1 Définition
3.2 Propriétés
3.3 Techniques de fabrication
3.4 Techniques d’imagerie des nanostructures
3.4.1 Microscope électronique (MET-MEB)
3.4.2 Microscopie à effet tunnel (STM)
3.4.3 Microscope à force atomique (AFM)
4. Quelques exemples de nanomatériaux
5. Applications+corrections
Application 1: Diffraction par une chaîne linéaire
Application 2: Facteur de structure d’un réseau plan

Bibliographie
1. PHYSIQUE DE L’ETAT SOLIDE
Charles Kittel - Sciences Sup – Dunod (8ème Edition)
2. INITIATION A LA PHYSIQUE DU SOLIDE – EXERCICES COMMENTES
J. CAZAUX – Masson Editeur
3. COURS ET EXERCICES DE CHIMIE
Bruno Fosset – Dunod
4. portail.cea.fr/les-defis-du-cea/


Chapitre 5
ENERGIE DE COHESION

1. Introduction
2. Energie de cohésion des cristaux ioniques
2.1 Energie de Madelung
2.2 Evaluation de la constante de Madelung
2.2.1 Cas d’un cristal linéaire
2.2.2 Cas d’un cristal bidimensionnel
2.2.3 Cas d’un cristal tridimensionnel
2.3 Evaluation de r
3. Energie de cohésion des cristaux moléculaires
3.1 Energie potentielle d’interaction dans les cristaux de gaz neutres
3.1.1 Moment dipolaire induit
3.1.2 Interaction entre deux moments dipolaires
3.1.3 Interaction répulsive
3.1.4 Interaction totale
3.2 Paramètres du réseau à l’équilibre
4. Energie de cohésion des cristaux  covalents et des métaux
5. Cristaux à liaison hydrogène
6. Rayons atomiques et ioniques
6.1 Rayon atomique
6.2 Rayon ionique
6.3 Rayon covalent
6.4 Rayon de Van der Waals
7. Applications+correction
Application 1 : Cohésion d’une chaîne linéaire d’ions Mg2+ et O2-
Application 2 : Hydrogène moléculaire solide

Bibliographie
1. INTRODUCTION A LA PHYSIQUE DE L’ETAT SOLIDE
Charles Kittel - Dunod-Université (3ème édition)
2. PHYSIQUE DES SOLIDES
Neil W. Aschkroft et N. David Mermin – EDP Sciences
3. INITIATION A LA PHYSIQUE DU SOLIDE – EXERCICES COMMENTES
J. CAZAUX – Masson Editeur


Chapitre 6
CONSTANTES D’ELASTICITE ET ONDES ELASTIQUES

1. Introduction
2. Analyse des contraintes
3. Analyse des déformations
3.1 Déformation uniforme
3.2 Déformation non uniforme
3.3 Remarque
3.4 Dilatation
4. Loi de Hooke et constantes d’élasticité
5. Propagation des ondes élastiques dans les crista cubiques
5.1 Introduction
5.2 Equation de propagation
5.3 Propagation dans la direction [100]
5.5 Propagation dans la direction [110]
5.6 Onde dans la direction [111]
5.7 Remarques
6. Déterminations expérimentales des constantes d’élasticité
6.1 Méthode de traction
6.2 Méthode de vibration
6.2 Méthode de propagation des ultrasons
7. Application avec corrigé
Anisotropie des cristaux hexagonaux

Bibliographie
1. INTRODUCTION A LA PHYSIQUE DE L’ETAT SOLIDE
Charles Kittel - Dunod-Université (3ème édition)
2. INITIATION A LA PHYSIQUE DU SOLIDE – EXERCICES COMMENTES
J. CAZAUX – Masson Editeur
3. CATALOGUE GENERAL D’EXPERIENCES DE PHYSIQUE - PHYWE
4. CATALOGUE GENERAL D’EXPERIENCES DE PHYSIQUE  - LEYBOLD-DIDACTIC


Chapitre 7
PHONONS ET VIBRATIONS DES RESEAUX

1. Défaut du réseau statique
2. Approximation du cristal harmonique
3. Théorie classique du cristal harmonique
3.1 Vibrations d’une chaîne monoatomique
3.2 Relation de dispersion
3.3 Vitesse de groupe
4. Vibrations d’une chaîne diatomique
5. Chaleur spécifique du réseau et loi de Dulo Petit
6. Quantification des vibrations du réseau
6.1 Retour sur la quantification de l’interaction rayonnement matière
6.2 Le phonon
6.3 Confirmations expérimentales de l’existence des phonons
6.4 Diffusion inélastique d’un photon par un phonon
7. Propriétés optiques dans l’infrarouge
8. Phonons localisés
9. Applications avec solution
Application 1 : Vibrations dans un cristal cubique
Application 2 : Anomalie de Kohn dans les métaux

Bibliographie
1. INTRODUCTION A LA PHYSIQUE DE L’ETAT SOLIDE
Charles Kittel - Dunod-Université (3ème édition)
2. PHYSIQUE DES SOLIDES
Neil W. Aschkroft et N. David Mermin – EDP Sciences
3. INITIATION A LA PHYSIQUE DU SOLIDE – EXERCICES COMMENTES
J. CAZAUX – Masson Editeur


Chapitre 8
THEORIE DE DRUDE POUR LES METAUX

1. Notion de classification
1.1 Structure cristalline et propriétés physiques
1.2 Liaison cristalline et propriétés physiques
1.3 Conductivité électrique des matériaux
2. Matériaux conducteurs
3. Modèle de Drude pour les métaux
3.1 Bases théoriques pour le modèle de Drude
3.2 Calcul de la conductivité électrique des métaux
3.3 Comparaison avec les résultats expérimentaux
3.4  Chaleur spécifique des métaux
3.5 Conductivité thermique et loi de Wiedemann-Franz
3.6 Conclusion
4. Application avec solutions
Conductivité s électrique et thermique de l’argent

Bibliographie
1. PHYSIQUE DE L’ETAT SOLIDE
Charles Kittel - Sciences Sup – Dunod (8ème édition)
2. PHYSIQUE DES MATERIAUX
Yves Quéré – Cours de l’Ecole Polytechnique – Ellipses
3. PHYSIQUE DES SOLIDES
Neil W. Aschkroft et N. David Mermin – EDP Sciences


Chapitre 9
MATERIAUX SEMICONDUCTEURS

1. Approche qualitative de la notion de bandes d’énergie dans les solides
2. Propriétés électriques des semi-conducteurs
2.1 Matériaux semi-conducteurs
2.1.1 Eléments de la colonne IV
2.1.2 Les cristaux III-V
2.1.3 Les cristaux II-VI
2.1.4 Les oxydes métalliques
2.1.5 Autres matériaux semiconducteurs
2.2 Dopage d’un semiconduteur
2.3 Conductivité électrique dans un semiconducteur
3. Applications avec corrigé
Application 1: Coefficient de température
Application 2: Résistivité à haute température

Bibliographie
1. INTRODUCTION A LA PHYSIQUE DE L’ETAT SOLIDE
Charles Kittel - Dunod-Université (3ème édition)
2. PHYSIQUE DES SEMICONDUCTEURS ET DES COMPOSANTS ELECTRONIQUES
H. MATHIEU ET HERVE FANET – Sciences Sup – Dunod (6ème édition)


Chapitre 10
MATERIAUX SUPRACONDUCTEURS

1. Mise en évidence expérimentale de la supraconductivité
2. Fermions et bosons
3. Modèle BCS pour la supraconductivité
4. Effet Meissner
5. Classification des supraconducteurs
6. Matériaux supraconducteurs
7. Applications de la supraconductivité
7.1 Médecine
7.2 Bobines supraconductrices
7.3 Electronique et télécommunications
7.4 Transport et stockage de l’énergie électrique
7.5 Confinement magnétique

Bibliographie
1. PHYSIQUE DE L’ETAT SOLIDE
Charles Kittel - Sciences Sup – Dunod (8ème édition)
2. LES DEFIS DU CEA



2-version 2014-2015
LA PHYSIQUE DES MATERIAUX
Pr. A. Belayachi
Université Mohammed V – Agdal
Faculté des Sciences Rabat
Département de Physique - L.P.M

Chapitre 1
LES RESEAUX DIRECT ET RECIPROQUE

1. Le réseau direct
2. Classification des réseaux de Bravais
3. Plans réticulaires et indices de Miller
3.1 Position dans la maille
3.2 Rangée
3.3 Plans réticulaires
3.4 Indices de Miller
3.5 Exemples
4. Le réseau réciproque
4.1 Construction
4.2 Généralisation
4.3 Propriétés


Chapitre 2
LES STRUCTURES

1. Le solide cristallin
1.1 Structure cristalline
1.2 Réseau à motif
2. Caractérisation d’une structure cristalline
2.1 Description
2.2 Compacité
2.3 Coordinance
2.4 Masse volumique
2.5 Existence de sites
3. Empilements compacts
4. Structures usuelles
4.1 Structure du chlorure de césium
4.2 Structure des métaux alcalins
4.3 Structure du chlorure de sodium
4.4 Structure du diamant
4.5 Structure Blende
4.6 Structure du magnésium
4.7 Structure du graphite
4.8 Structure würtzite
5. Structures particulières
5.1 Structure Fluorine type AX2
5.2 Structure pérovskite type ABX3
5.3 Structure spinelle type ABX4
6. Alliages
6.1 Alliages de substitution
6.2 Alliages d’insertion
7. Structures non idéales
7.1 Croissance pentagonale
7.2 Empilement aléatoire
7.3 Polytypisme
7.4 Structures non cristallines
8. Les quasi- cristaux
8. Les quasi- cristaux
9.1 Définition
9.2 Les fullerènes
9.3 Les nanotubes
9.4 Applications
10. Les défauts dans les cristaux
10.1 Défauts ponctuels
10.2 Les joints de grains
10.3 Les dislocations
10.4 Conséquences


Chapitre 3
DIFFRACTION DES RAYONS X PAR LES SOLIDES

1. Etude de la diffraction cristalline
1.1 Condition de diffraction par les réseaux
1.2 Le faisceau incident
1.3 Observation de la diffraction des rayons X par un réseau
1.3.1 Méthode de Laue
1.3.2 Méthode du cristal tournant
1.3.3 Méthode des poudres
2. Formulation de Bragg de la diffraction des rayons X
3. Formulation de von Laue de la diffraction des rayons X
4. Equivalence des formulations de Bragg et von Laue
5. Construction d’Ewald
6. Amplitude diffusée et facteur de structure
6.1 Diffusion par une particule chargée
6.2 Diffusion par un atome
6.3 Diffusion par un cristal
6.4 Facteur de structure


Chapitre 4
ENERGIE DE COHESION DES SOLIDES

1 . Introduction
2. Energie de cohésion des cristaux ioniques
2.1 Energie Madelung
2.2 Evaluation de la constante de Madelung a
2.2.1 Cas d’un cristal linéaire
2.2.2 Cas d’un cristal bidimensionnel
2.2.3 Cas d’un cristal tridimensionnel
2.3 Evaluation de r
3. Energie de cohésion des cristaux moléculaires
3.1 Energie potentielle d’interaction dans les cristaux de gaz neutres
3.1.1 Moment dipolaire induit
3.1.2 Interaction entre deux moments dipolaires
3.1.3 Interaction répulsive
3.1.4 Interaction totale
3.2 Paramètres du réseau à l’équilibre
4. Energie de cohésion des cristaux covalents et des métaux
5. Cristaux à liaison hydrogène
6. Rayons atomiques et ioniques
6.1 Rayon atomique
6.2 Rayon ionique
6.3 Rayon covalent
6.4 Rayon de Van der Waals


Chapitre 5
PHONONS ET VIBRATIONS DES RESEAUX

1. Défaut du modèle du réseau statique
2. Approximation du cristal harmonique
3. Théorie classique du cristal harmonique
3.1 Vibrations d’une chaîne monoatomique
3.2 Relation de dispersion
4. Vibrations d’une chaîne diatomique
5. Chaleur spécifique du réseau et loi de Dulong- Petit
6. Quantification des vibrations du réseau
6.1 Retour sur la quantification de l’interaction rayonnement matière
6.2 Le phonon
6.3 Confirmations expérimentales de l’existence des phonons
6.4 Diffusion inélastique d’un photon par un phonon


Chapitre 6
THEORIE DE DRUDE POUR LES METAUX

1 . Notion de classification
1.1 Symétrie cristalline et propriétés physiques
1.2 Liaison cristalline et propriétés physiques
1.3 Conductivité électrique des matériaux
2. Matériaux conducteurs
3. Modèle de Drude pour les métaux
3.1 Bases théoriques du modèle de Drude pour les métaux
3.2 Calcul de la conductivité électrique des métaux dans le modèle de Drude
3.3 Comparaison avec les résultats expérimentaux
3.4 Chaleur spécifique des métaux
3.5 Conductivité thermique et loi de Wiedemann-Franz
3.6. Conclusion


Chapitre 7
MATERIAUX SEMICONDUCTEURS ET SUPRACONDUCTEURS

1. Approche qualitative de la notion de bandes d’énergie dans les solides
2. Propriétés électriques des semi- conducteurs
2.1 Matériaux semi-conducteurs
2.1.1 Eléments de la colonne IV
2.1.2 Les cristaux III-V
2.1.3 Les cristaux II-VI
2.1.4 Les oxydes métalliques
2.1.5 Autres matériaux semiconducteurs
2.2 Dopage d’un semiconduteur
2.3 Conductivité électrique dans un semiconducteur
3. Supraconductivité
3.1 Mise en évidence expérimentale
3.2 Effet Meissner
3.3 Matériaux supraconducteurs

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