Modules obligatoires (30 ECTS) - Site interne Polytech Paris-Sud

Transcription

Spécialité “Nanosciences” 60 ECTS (E. Dufour-Gergam)
Parcours Nanophysique
(J.-J. Greffet)
Modules obligatoires (30 ECTS) :
Parcours Nanodispositifs
et Nanotechnologies
(E. Dufour-Gergam)
Parcours Nanochimie
(T. Mallah)
International track
in Nanosciences
(D. Chauvat / N. D. Lai / T. Gacoin)
Tronc commun (6 ECTS) :
Cliquez sur les modules pour connaître leurs descriptifs
- Microscopie, microscopie, champ proche et spectroscopie
- Elaboration et caractérisation de nanostructures et nanodispositifs
- Interaction matière rayonnement : Lasers et
atomes
- Physique des nanostructures semiconductrices
- Optique quantique
- Physique Statique hors équilibre
- Magnétisme et Electronique de spin
- Physique mésoscopique et Electronique
moléculaire
- Nanophotonique
- Simulation numérique des nanosystèmes
- Expériences récentes en Nanophysique
- Physique des composants
- Nanophotonique, optique moléculaire et
nanobiophonétique
- Nanomagnétisme et spintronique
- Nanoélectronique et électronique moléculaire
- Nanodispositifs éléctromécaniques
- Microtechnologies
- Nanotechnologies
- Micronanobiosciences
Modules optionnels (6 ECTS) :
* Projet recherche
* Module libre
* Physique statique hors équilibre
* Optique quantique
* Conception de MEMS
* Optoélectronique
* Terahertz et composants rapides
* Nanotechnologies pour le diagnostic et la
thérapeutique
* Projet technologique
* Nanomatériaux
* Nanomatériaux pour le photovoltaïque
* Projet recherche 2
* Module libre 2
- Nanoparticules inorganiques et organiques :
préparation, structure et applications
- Nanotubes de carbone et graphème
- Chimie de surface
- Nanocomposites hybrides OrganiqueInorganique et Matériaux Multifonctionnels
Poreux hybrides
- Magnétisme moléculaire, du solide et électronique de spin
- Spectroscopie d’absorption et de photoélectrons des rayons X
- Techniques physico-chimiques d’analyse à
l’échelle nanométrique
- Microscopie éléctronique et en champ
proche
- Nanotechnologies pour le diagnostic et la
thérapeutique
- Nanophotonique
- Projet recherche 1
Stage 18 semaines (24 ECTS)
* Physical Chemistry of Nanostructured
Materials
* Nanothermics
* Nonlinear Optics and Nonlinear Microscopies
* Nanotubes: production, characterisation,
properties and applications
* Biosensors
* Ion Channel recording biochip technology
* Nanoscaling of physical properties
* Guided and coupled waves
* Charge screening and transport in nanostructures
* From molecular optics to nanobiophotonics
* Quantum Optics
* Nanophotonics (and photonic chrystals)
* Near field and sub-wavelength microscopies
* Nonlinear Optics of Semiconductor : fundamentals and applications
* Semiconductor Physics and Components
* Nanomagnetism ans spintronics
* Plasma for micro- and nanotechnologies
* Biophotonics : Theoretical aspects to the
use of fluorescence in Biology
* French language for foreigners
Modules des 4 parcours du Master 2 Nanosciences Saclay
Sommaire
Parcours Nanophysique .......................................................................................... 4
UE Nanotc-1 : Microscopie, Microscopie champ proche et Spectroscopie......... 5
UE Nanotc-2 : Elaboration et caractérisation de Nanodispositifs et Nanoobjets . 5
UE Nanophys1 : Interaction matière rayonnement : lasers et atomes ................. 6
UE Nanophys2 : Physique des nanostructures semiconductrices....................... 7
UE Nanophys3: Optique quantique ..................................................................... 8
UE Nanophys4 : Physique Statistique hors équilibre .......................................... 8
UE Nanophys5 : Magnétisme et électronique de spin ......................................... 9
UE Nanophys6: Physique mésoscopique et électronique moléculaire .............. 10
UE Nanophys7 : Nanophotonique ..................................................................... 10
UE Nanophys8: Simulation numérique des nanosystèmes ............................... 11
UE Nanophys 9 : Expériences récentes en Nanophysique ............................... 12
Parcours Nanodispositifs et nanotechnologies .................................................. 13
UE Nanotc-1 : Microscopie, Microscopie champ proche et Spectroscopie....... 14
UE Nanotc-2 : Elaboration et caractérisation de Nanodispositifs et Nanoobjets 14
UE Nanodis1 : Physique des composants......................................................... 15
UE Nanodis2 : Nanophotonique, optique moléculaire et nanobiophotonique .... 15
UE Nanodis3 : Nanomagnétisme et spintronique .............................................. 16
UE Nanodis4 : Nanoélectronique et électronique moléculaire........................... 17
UE Nanodis5 : Nanodispositifs électromécaniques ........................................... 18
UE Nanodis6 : Microtechnologies ..................................................................... 18
UE Nanodis7 : Nanotechnologies ...................................................................... 19
UE Nanodis8 : Micronanobiosciences .............................................................. 20
UE Nanodis9 : Modélisation et simulation des MEMS/NEMS ........................... 21
UE Nanodis10 : Optoélectronique ..................................................................... 21
UE Nanodis11 : Emission et réception terahertz et composants rapides .......... 22
UE Nanodis12 : Nanotechnologies pour le diagnostic et la thérapeutique ........ 23
UE Nanodis13 : Projet technologique ................................................................ 24
UE Nanodis14 : Nanomatériaux ........................................................................ 24
UE Nanodis15 : Nanomatériaux pour l’énergie solaire photovoltaïque ............. 25
Parcours Nanochimie ............................................................................................. 26
UE Nanotc-2 : Elaboration et caractérisation de Nanodispositifs et Nanoobjets 27
UE Nanochim1 : Nanoparticules inorganiques et organiques: préparation,
structure et applications..................................................................................... 28
UE Nanochim2 : Nanotubes et graphène .......................................................... 29
UE Nanochim3 : Chimie de surface et électrochimie ........................................ 30
UE Nanochim4 : Nanocomposites hybrides Organique-Inorganique et Matériaux
Multifonctionnels Poreux hybrides ..................................................................... 30
UE Nanochim5 : Magnétisme moléculaire, du solide et électronique de spin ... 32
UE Nanochim6 : Spectroscopie d’absorption et de photoélectrons des rayons X
.......................................................................................................................... 32
UE Nanochim7 : Techniques physico-chimiques d’analyse à l’échelle
nanométrique .................................................................................................... 33
UE Nanochim8 : Microscopie électronique et en champ proche II .................... 34
2/55
International track in Nanosciences ..................................................................... 36
UE Nanotc-2 : Fabrication and characterisation of nanodevice and nanoobjects
.......................................................................................................................... 37
Unit: Physical Chemistry of Nanostructured Materials ....................................... 38
Unit: Nanothermics ............................................................................................ 39
Unit: Nonlinear Optics of Semiconductor : fundamentals and applications........ 40
Unit: Nanotubes: production, characterisation, properties and applications ...... 41
Unit: Biosensors ................................................................................................ 41
UE NanoInter6 Ion Channel recording biochip technology: ............................... 42
Unit: Nanoscaling of physical properties............................................................ 43
Unit: Guided and coupled waves ....................................................................... 44
Unit: Charge screening and transport in nanostructures ................................... 45
Unit: From molecular optics to nanobiophotonics .............................................. 46
Unit name : Quantum Optics ............................................................................. 47
Unit: Nanophotonics (and photonic chrystals) ................................................... 48
Unit: Near field and sub-wavelength microscopies ............................................ 49
Unit: Nonlinear Optics of Semiconductor : fundamentals and applications........ 50
Unit: Semiconductor Physics and Components................................................. 51
UE NanoInter15 Nanomagnetism ans spintronics: ........................................... 52
Unit: Plasma for micro- and nanotechnologies .................................................. 53
Unit: Biophotonics : Theoretical aspects to the use of fluorescence in Biology . 54
Unit: French language for foreigners ................................................................. 55
3/55
Parcours Nanophysique
Responsable : J.-J. Greffet
Objectif :
Le parcours de nanophysique a une double vocation. D’une part, il comporte un tronc commun de
physique générale avancée (Interaction Matière-Rayonnement, Optique Quantique, Physique
Statistique hors équilibre, Physique de la matière condensée) qui couvre les grands concepts de la
physique de l’état solide et des champs quantifiés. D’autre part, il permet de s’initier à l’ensemble des
grands domaines de la physique à l’échelle du nanomètre (Electronique de spin, physique
mésoscopique, nanophotonique, nanomatériaux) ainsi qu’aux techniques d’observation et de
fabrication à l’échelle du nanomètre grâce à deux modules expérimentaux.
Organisation :
Ce parcours est constitué de 10 modules obligatoires (dont 2 de tronc commun), de deux modules
optionnels (au choix) et d'un stage de 18 semaines.
Tronc commun (6 ECTS)
Microscopie, microscopie, champ proche et spectroscopie
Elaboration et caractérisation de nanostructures et nanodispositifs
Interaction matière rayonnement : Lasers et atomes
Physique des nanostructures semiconductrices
Optique quantique
Physique Statique hors équilibre
Magnétisme et Electronique de spin
Physique mésoscopique et Electronique moléculaire
Nanophotonique
Simulation numérique des nanosystèmes
Expériences récentes en Nanophysique
Modules optionnels (6 ECTS)
Projet recherche 1
Module libre
Descriptif des modules :
4/55
UE Nanotc-1 : Microscopie, Microscopie champ proche et Spectroscopie
Responsable : O. Stéphan
type d’UE :
Objectifs : L’objectif de ce module est de proposer une introduction aux techniques de microscopies
et spectroscopies spécifiques aux nanosciences suivantr une approche très expérimentale
Contenu des enseignements (avec nb d’heures)
Cours
MEB, TEM, EDS
6h
AFM
5h
STM
4h
Enseignants (à compléter): O. Stéphan (LPS UPS), E. Boer-Duchemin (PPM UPS), N.
UPS), A. Dazzi (LCP UPS), Daniele Nutarelli (LAC UPS), O. Schneegans (LGEP, UPS)
Cours-TP
TP
6h (2 x1/2j)
6h (2 x1/2j)
3h (1 x1/2j)
Vernier (IEF
Prérequis : Bases en Physique de la Matière Condensée acquises en M1.
Mise en commun :
Nombre maximum d’inscrits : Effectif complet de la spécialité
Contrôle des connaissances : Examen ecrit + Compte-rendus de travaux pratiques
nb d’heures : 30 h
ECTS : 3
UE Nanotc-2 : Elaboration et caractérisation de Nanodispositifs et Nanoobjets
Responsables : N. Yam, E. Dufour-Gergam
Objectifs : Mise en œuvre des technologies de fabrication et de caractérisation en Nanosciences.
Cette UE utilisera un grand nombre de plate-formes technologiques disponibles dans les différents
établissements (notamment la salle blanche de la CTU Minerve). L’enseignement se fera sous forme
de cours-TP, le nombre d’étudiants par séance étant généralement de 4.
Chaque étudiant devra suivre 10 séances de 3h de cours-TP. Le choix des séances sera guidé par
les responsables du module et dépendra du choix de l’étudiant et de la disponibilité de l’offre (de
nombreuses plateformes seront disposées au sein d’équipe de recherche et leur accès sera limité).
Tous les étudiants devront avoir effectué au moins une séance de TP en salle blanche.
Un très large choix de séance sera proposé tous les ans. En voici quelques exemples :
Plan des enseignements : (avec nb d’heures) Exemples :
-Fabrication d’une puce en technologie PDMS pour la microfluidique
-Mise en œuvre de connections électriques sur des nanotubes de
carbone
- Croissance de nanofils de Si sur une surface auto-organisée
- Elaboration et caractérisation de structures GMI
-Synthèse de nanoparticules organiques et inorganiques
-Greffage de molécules et de nanoparticules sur Si fonctionnalisé et
observation
-Observation et analyse du FRET par FLIM (fluorescence lifetime
imaging) entre protéines fluorescentes dans des cellules
-Voltamétrie cyclique d'une protéine redox
-Dosage électrocatalytique du glucose en présence de glucose
oxydase
- Caractérisation des propriétés électriques de nanostructures en
utilisant un résiscope
- Elaboration de nanostructures par électrochimie
Cours-TP
3h
3 X 3h
3h
3 X 3h
4 x 3h
3h
2x3h
3h
3h
3h
3h
5/55
- Elaboration de films nanostructurés par CVD
- Analyse de surface par XPS après fonctionalisation
-Résonance ferromagnétique, effet Kerr….
3h
2 X 3h
2 X 3h
Enseignants :
Les enseignants de cette UE seront très nombreux car le nombre d’étudiants par groupe est
extrêmement réduit
Prérequis : connaissances de base en physique
Contrôle des connaissances : contrôle continu
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanophys1 : Interaction matière rayonnement : lasers et atomes
Responsable : Alain Aspect
type d’UE : CM + TD
Objectifs : L’objectif de ce cours est d’introduire les concepts avancés de mécanique quantique
nécessaires à la compréhension des expériences récentes en nanophysique. L’accent portera sur
l’interaction matière rayonnement et ses applications.
Cours
15 h
TD
15 h
Partie 1: Compléments de Mécanique Quantique
Perturbations dépendantes du temps, probabilités de transition, règle d'or de
Fermi.
Matrice densité, relaxation, équations de Bloch
Partie 2 : interaction matière rayonnement
Hamiltonien d'interaction Ap et DE
Equations de Bloch Optique
Atome à deux niveaux en interaction avec un champ monochromatique
Partie 3 : lasers et atomes
Amplification laser ; oscillation laser.
Laser continu, seuil, saturation, brisure spontanée de symétrie, compétition entre
modes
Laser en impulsions; peigne de fréquences.
Largeur de raie laser : notions d'optique statistique, équation de Langevin
Manipulation d'atomes par laser, lasers à atomes.
Applications des atomes ultrafroids : interférométrie atomique et senseurs inertiels
; simulateurs quantiques de problèmes de matière condensée (transition de
Mott, localisation d'Anderson).
Enseignant : Alain Aspect, Michel Brune, Vincent Jacques
Prérequis : Cours d’introduction à la mécanique quantique
Nombre maximum d’inscrits : 40
Contrôle des connaissances : examen écrit de 3 h
ECTS : 3
6/55
TP
UE Nanophys2 : Physique des nanostructures semiconductrices
Responsable E. Deleporte
Objectifs : L’objectif de ce cours est d’étudier les phénomènes physiques apparaissant dans les
nanostructures semiconductrices, plus particulièrement en relation avec le domaine de l’optique. Ces
phénomènes physiques sont à l’origine des dispositifs lasers et des détecteurs quantiques aujoud’hui
largement utilisés ou en cours de développement.
♦ Partie I : Structure électronique des objets nanométriques (E. Deleporte)
Cours
30 h
10h
TD
• Theorème de Bloch, bandes, confinement 0D, 1D, 2D, excitons
• Coefficient d’absorption,émission
• Effet d’un champ électrique externe sur la structure électronique des
hétérostructures semiconductrices
• Dopage : jonction p-n
• Interaction électron-phonon
♦ Partie II : Effet laser, détecteurs quantiques (E. Rosencher)
10h
Propriétés optiques des semiconducteurs et de leurs hétérostructures
Guides d’ondes
Physique de l’oscillation laser
Laser à semiconducteurs (interbande et intersousbande)
Détecteurs quantiques
Optiques non linéaires des structures quantiques
♦ Partie III : Boîtes quantiques et cavités (J. Bloch)
• Micro et nanocavités : miroirs de Bragg, micropilliers, microdisques, cristaux
photoniques
• Boites quantiques : cascade radiative, émission de photons uniques, intriqués,
manipulation du spin
• Boites quantiques en cavité : Régime de couplage faible : effet Purcell, Régime de
couplage fort : état mixte lumière matière
• Puits quantiques en cavité : les polaritons de cavité, Propriétés des polaritons de
cavité, Régime non-linéaire (condensation de Bose, laser à polaritons, interaction
paramétrique)
10h
Enseignants : E. Deleporte (Prof ENS Cachan), E. Rosencher (Prof Ecole Polytechnique), J. Bloch
(CNRS, LPN Marcoussis)
Prérequis : Physique quantique et physique statistique quantiques de base : spin, systèmes à 2
niveaux, perturbations indépendantes du temps, perturbations dépendant du temps (règle
d’Or de Fermi), distribution de Fermi-Dirac
Mise en commun :
UE obligatoire du parcours Nanophysique
Nombre maximum d’inscrits : −−−
ECTS : 3
7/55
TP
UE Nanophys3: Optique quantique
Responsable : C. Westbrook
Objectifs : On cherchera à présenter des notions pour aider à comprendre ce qu'est un "photon".
Partant de la quantification du champ électromagnétique, on discutera des situations ou on a
absolument besoin de ce concept. On fera beaucoup référence à la littérature expérimentale pour
illustrer les idées.
1. Introduction:
Rayonnement de corps noir selon Rayleigh, Planck, Einstein and Bose
2. Quantification du champ électromagnetique
3. Etats d'un champ monomode: états nombre, états cohérents, états thermiques
4. Interaction atome-champ
approximation dipolaire, théorie des perturbations, processus stimulé et spontanée
5. Emission spontanée, regle d'or de Fermi, dans l'éspace libre, dans une cavité.
effet Purcell, l'approche de Wigner et Weisskopf
6. Théorie semiclassique de la photo détection, théorie quantique
Analyse d'une séparatrice. of a beam splitter, single photon interference, the HongOu-Mandel effect
7. Plus sur la théorie quantique de photodétection
cas multimode, l'effet Hanbury Brown Twiss
8. Interférometrie, bruit et intrication
9. Optique quantique nonlinéaire, Application aux sources de photons uniques
♦ Le reste du cours est consacré aux exercices. Il y aura des devoirs à la maison à
rendre, ces exercices seront discutés ensuite dans la classe.
Cours
21 h
2h
TD
3h
TP
3h
2h
3h
2h
5h
3h
2h
5h
3h
Enseignant : Chris Westbrook (DR Laboratoire Charles Fabry)
Prérequis : Mécanique quantique de base: théorie des perturbations dépendant du temps, couplage
dipolaire entre un atome et un champ électromagnétique classique, notions de la matrice
densité
Mise en commun :
UE commune au parcours Nanophysique et Nanotechnologies
ECTS : 3
UE Nanophys4 : Physique Statistique hors équilibre
Responsable : JJ Greffet
Objectifs : L’objectif de ce cours est de rappeler les notions de physique statistique à l’équilibre,
notamment l’étude des fluctuations. On aborde ensuite les notions concernant la physique statistique
hors équilibre
♦
♦
♦
♦
Cours
18 h
TD
12 h
Ensembles microcanonique, canonique, grand canonique
Fonctions thermodynamiques, potentiels
Propriétés générales des coefficients de réponse linéaire
Théorème de fluctuation-dissipation.
8/55
TP
♦
♦
♦
♦
♦
Modèle de Langevin
Equation de Boltzmann
Phénomènes de transport dans les gaz
Phénomènes de transport dans les solides
Elements de thermodynamique des phénomènes irréversibles.
Enseignant : Jean-Jacques Greffet
Prérequis : cours d’introduction à la mécanique quantique.
Mise en commun : Parcours Nanophysique/ Parcours Nanotechnologies/ Troisième année Ecole
Centrale Paris
ECTS : 3
UE Nanophys5 : Magnétisme et électronique de spin
Responsables : C. Chappert
Objectifs : L’objectif de ce cours est de fournir de solides connaissances en magnétisme et en
transport électronique dépendant du spin qui permettront d’ouvrir vers les applications les plus
actuelles concernant l’enregistrement magnétique des disques dur jusqu’aux nouveaux circuits de la
nanoélectronique intégrant des éléments magnétiques.
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
Cours
30 h
TD
origine microscopique du magnétisme
paramagnétisme, ferromagnétisme, antiferromagnétisme, ondes de spin
Anisotropie magnétique
Magnétisme aux dimensions réduites
Mesures magnétiques
Dynamique de l’aimantation
Enregistrement magnétique
Transport dépendant du spin (GMR, TMR…)
Transfert de spin
Electronique de spin et dispositifs
Enseignant : C. Chappert, A Anane, P. Lecoeur, Y. Dumont
Prérequis :
Mise en commun :
Des TP de caractérisation (résonance ferromagnétique, Kerr, mesures de transport) seront inclues
dans le tronc commun (nanostructures et nanodispositifs) : compter 2 TP de 4h
nb d’heures : 30h
ECTS : 3
9/55
TP
UE Nanophys6: Physique mésoscopique et électronique moléculaire
Responsable : D. Estève
Objectifs : L’objectif de ce cours est d’expliquer les concepts fondamentaux de la physique
mésoscopique et du transport électronique dans les nanostructures. Les notions introduites seront
illustrées par des résultats expérimentaux obtenus sur divers types de nanostructures métalliques, en
particulier, supraconductrices.
Cours
Introduction à la physique mésoscopique
12h
♦ Notions fondamentales sur les électrons dans les solides; quasiparticules, mer de
Fermi, collisions élastiques et inélastiques, cohérence de phase...
♦ Les
différents
régimes
de
transport
électronique
dans
des
structures mésoscopiques: rôle des dimensions et de la dimensionnalité,
transport quantique cohérent, balistique et diffusif, canaux de transmission,
quantification de la conductance,.
♦ Transport quantique cohérent dans les contacts à petit nombre de canaux de
transmission. Contacts quantiques ponctuels, quantification de la conductance.
♦ Blocage de Coulomb, statique et dynamique.
♦ Electronique à un électron : boîte, transistor et pompe à un électron.
♦ Introduction à l’effet Josephson; nanostructures supraconductrices à base de
jonctions Josephson.
♦ La boîte à paires de Cooper en tant que atome artificiel.
♦ Bits quantiques supraconducteurs.
Devoir maison de 6h.
TD
12 h
TP
Enseignants : Daniel Estève et Cristian Urbina.
Prérequis :
Socle de connaissances
en mécanique quantique, en
physique des solides, et si possible en supraconductivité.
physique statistique,
en
Mise en commun :
nb d’heures : 30h
ECTS : 3
UE Nanophys7 : Nanophotonique
Responsable : JJ Greffet
Objectifs : L’objectif de ce cours est de présenter les concepts et les applications de la
nanophotonique.
Cours
20
TD
10 h
1. Développement de Weyl. Ondes évanescentes. Champ proche.
2. Rayonnement en électromagnétisme classique.
3. Tenseur de Green. Densité d’états
4. Plasmons 1
5. Plasmons 2
6. Microcavités, effet Purcell, nanoantennes.
7. Effet Raman, Fluorescence exaltés par nanoantennes
8. Propagation en milieux périodiques
10/55
TP
9. Homogénéisation
10. Cristaux photoniques et gap photonique
Enseignant : Jean-Jacques Greffet
Prérequis : Cours d’électromagnétisme de niveau licence.
Mise en commun :
ECTS : 3
UE Nanophys8: Simulation numérique des nanosystèmes
Objectifs : Initier et sensibiliser les étudiants aux méthodes de simulations numériques qui permettent
d’une part de valider et concevoir des modèles et d’autre part de tester les théories disponibles. La
simulation est également utilisée comme une véritable expérience permettant d’analyser le
comportement d’un matériau et d’en dégager les mécanismes.
•
•
•
•
•
Cours
12 h
TD
12 h
Modélisation des interactions entre atomes
Introduction de l’intégrale de configuration et équipartition généralisée.
Méthode de Monte Carlo Metropolis
Méthode de la Dynamique Moléculaire et comparaison des deux méthodes
Calcul de propriétés physiques : chaleur spécifique, fonction de distribution
radiale, paramètres d’ordre, énergie de surface, polarisabilité en fonction de la
fréquence …
Le cours comporte une présentation théorique durant 15 h. Les 15 h suivantes se
dérouleront sous forme de projets sur des stations de calcul. Les élèves mettront en
pratique les connaissances acquises en réalisant des mini-projets de simulation
numérique.
Enseignants : Hichem DAMMAK (PR ECP), Marc HAYOUN (Ing. CEA)
Prérequis : Bases de la cristallographie. Algorithmique et programmation. Mécanique quantique.
Physique statistique : ensembles microcanonique et canonique.
Mise en commun :
Contrôle des connaissances : L’évaluation est sous forme de contrôle écrit court (1h30) à la fin de la
présentation de la partie théorique. Le mini-projet sera évalué lors d'une présentation orale et d'un
petit rapport qui seront demandés pour chaque binôme. Ceci petmettra aux étudiants d’apprécier la
diversité des sujets abordés.
ECTS : 3
11/55
TP
UE Nanophys 9 : Expériences récentes en Nanophysique
Responsable : Jean-Pierre Hermier
Objectifs : L’objectif de ce cours est de présenter aux étudiants des expériences récentes dans le
domaine de la nanophysique. A travers l’étude d’articles, plusieurs thèmes seront abordés : l’optique
quantique, l’électronique à l’échelle moléculaire et le nanomagnétisme. Pour chaque article, il s’agira
de dégager les concepts fondamentaux, analyser les dispositifs expérimentaux et discuter les
principaux résultats obtenus.
Cours
10
TD
20 h
1. Réalisation d’une source de photons uniques à partir d’un dispositif semiconducteur.
2. Réalisation d’une source de photons intriqués.
3. Coalescence de photons.
4. Expérience d’Hanbury Brown et Twiss dans des circuits quantiques.
5. Oscillations de Rabi et jonctions Josephson.
6. Blocage de Coulomb dans les boîtes quantiques.
7. Manipulation et lecture d’un spin unique dans les boites quantiques.
8. Confinement quantique d'électrons par transfert de charge à l'interface entre
oxydes (avec polarisation de spin).
9. Cohérence quantique entre moments magnétiques atomiques.
10. Dynamique de retournement ultra-rapide de l’aimantation dans des nano-objets.
Enseignants : Yves Dumont, Jean-Pierre Hermier, Niels Keller,
Prérequis : UE Nanophys2 : Physique des nanostructures semiconductrices, UE Nanophys3: Optique
quantique, UE Nanophys5 : Magnétisme et électronique de spin, UE Nanophys6: Physique
mésoscopique et électronique moléculaire, UE Nanophys7 : Nanophotonique.
Mise en commun :
Contrôle des connaissances : études d’article
ECTS : 3
12/55
TP
Parcours Nanodispositifs et nanotechnologies
Responsable : E. Dufour-Gergam
Objectif :
Le parcours Nanodispositifs et Nanotechnologies s’adresse aux étudiants désireux d’étudier les
Nanosciences par la voie applicative. Ce parcours propose ainsi une approche conceptuelle et
technologique dans le domaine des Sciences pour l’Ingénieur (physique, technologies de
communication, chimie, matériaux) mais également dans le domaine des biosciences et
biotechnologies.
Organisation :
Il est constitué de 10 modules d’enseignement obligatoires (dont 2 de tronc commun) pour
l’ensemble des étudiants de ce parcours permettant d’acquérir des bases solides dans le domaine
des nanodispositifs (optiques, électroniques, mécaniques, chimiques, biologiques), des modules
optionnels d’approfondissement dans le domaine de la physique fondamentale, les matériaux, les
biotechnologies et le travail en salle blanche (deux modules optionnels au choix) et d'un stage de 18
semaines.
Physique des composants
Nanophotonique, optique moléculaire et nanobiophonétique
Nanomagnétisme et spintronique
Nanoélectronique et électronique moléculaire
Nanomécanique et Nanodispositifs éléctromécaniques
Microtechnologies et Nanoimpression
Nanotechnologies (fonctionalisation de surface, éléctrochimie, auto-organisation, nanotubes,
nanoparticules, lithoX)
Micronanobiosciences
Physique statique hors équilibre
Optique quantique
Conception de MEMS
Microarchitecture des systèmes analogiques intégrés
Optoélectronique
Terrahertz et composants rapides
Nanotechnologies pour le diagnostic et la thérapeutique
Nanomatériaux
Nanomatériaux pour le photovoltaïque
Projet technologique
13/55
Projet recherche 2
Module libre 2
Objectifs : L’objectif de ce module est de proposer une introduction aux techniques de microscopies et
spectroscopies spécifiques aux nanosciences suivantr une approche très expérimentale
MEB, TEM, EDS
AFM
STM
Cours Cours-TP
6h
6h (2 x1/2j)
5h
6h (2 x1/2j)
4h
3h (1 x1/2j)
Enseignants (à compléter): O. Stéphan (LPS UPS), E. Boer-Duchemin (PPM UPS), N. Vernier (IEF
Mise en commun :
ECTS : 3
carbone
observation
Cours-TP
3h
3 X 3h
3h
3 X 3h
4 x 3h
3h
14/55
TP
oxydase
2x3h
3h
3h
3h
3h
3h
2 X 3h
2 X 3h
Enseignants :
extrêmement réduit. Une liste non exhaustive des enseignants apparait dans la description de l’équipe
pédagogique.
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanodis1 : Physique des composants
Responsable Arnaud Bournel
Objectifs : étude via la physique de l'état solide des matériaux utilisés pour leurs propriétés semiconductrices. Les principes de fonctionnement des composants de base de la microélectronique
seront décrits.
Plan des enseignements : (avec nb d’heures)
Introduction, matériaux de base et réseaux cristallin
Propriétés vibratoires d'un réseau cristallin (phonons)
Structure électronique de bandes d'énergie
Niveaux d'énergie introduits par les impuretés
Densité de porteurs de charge dans un semiconducteur
Transport et phénomènes hors d'équilibre
Jonction PN, diode Schottky
Transistors bipolaires, application à l'amplification
Transistors à effet de champ, application à l'inverseur logique CMOS
Cours
TD
TP
30 h
―
―
Enseignants : Arnaud Bournel
Contrôle des connaissances : écrit
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanodis2 : Nanophotonique, optique moléculaire et nanobiophotonique
Responsable : Eric Cassan, Joseph Zyss
15/55
Objectifs : L’objectif de ce module est de former les étudiants dans les domaines de la
nanophotonique et des ses applications en biologie au travers d’une description des propriétés de
l’interaction lumière-matière dans les milieux structurés à l’échelle de la longueur d’onde optique, des
propriétés optiques des milieux biologiques, des méthodes de caractérisation, d’imagerie
microscopique et de marquage relevant de la biophotonique.
Plan des enseignements :
Cours
TD
TP
Cet enseignement est structuré en deux parties.
La première aborde des aspects fondamentaux sur l'interaction lumière
matière dans des milieux structurés à l’échelle de la longueur d’onde
optique qui permettent un contrôle pertinent d’un certain nombre de
propriétés de la lumière.
La deuxième partie aborde l’utilisation de l’optique pour des
applications à la biologie, au travers de le description de la réponse
optique des milieux biologiques et de méthodologies propres de
caractérisation, de marquage et de microscopie.
Nanophotonique :
propriétés statistiques et ondulatoires de la lumière
guidage, circuits photoniques
structuration des milieux : cristaux photoniques (guidage, confinement
des photons, propriétés dispersives)
plasmonique et métamatériaux
Optique moléculaire et nanobiophotonique :
- optique non-linéaire dans les milieux moléculaires
- microscopie et imageries
- nano-marquage
- pince-optique
- initiation à la microfluidique
15h
12h
Séance de travaux pratiques : « Propriétés de confinement des
photons dans des structures à cristaux photoniques »
3h
Enseignants : Eric Cassan et Joseph Zyss
Prérequis : Optique physique (niveau fin L3), électromagnétisme (niveau fin L3)
Contrôle des connaissances : écrit, travaux pratiques, dossier bibliographique
___________________________________________________________________________
Nombre d’heures : 30h
ECTS : 3
UE Nanodis3 : Nanomagnétisme et spintronique
Responsables : C. Chappert et A. Barthélémy
Objectifs : L’objectif de ce cours est de fournir de solides connaissances en magnétisme et en
transport électronique dépendant du spin qui permettront d’ouvrir vers les applications les plus
actuelles concernant l’enregistrement magnétique des disques dur jusqu’aux nouveaux circuits de la
nanoélectronique intégrant des éléments magnétiques.
16/55
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
Cours
30 h
TD
origine microscopique du magnétisme
paramagnétisme, ferromagnétisme, antiferromagnétisme, ondes de spin
Anisotropie magnétique
Magnétisme aux dimensions réduites
Mesures magnétiques
Dynamique de l’aimantation
Enregistrement magnétique
Transport dépendant du spin (GMR, TMR…)
Transfert de spin
Electronique de spin et dispositifs
Enseignant : C. Chappert, A. Bathélémy
Prérequis :
Mise en commun :
Des TP de caractérisation (résonance ferromagnétique, Kerr, mesures de transport) seront inclues
dans le tronc commun (nanostructures et nanodispositifs) : compter 2 TP de 4h
nb d’heures : 30h
ECTS : 3
UE Nanodis4 : Nanoélectronique et électronique moléculaire
Responsable : P. Dollfus
Objectifs : Ce module aborde les dispositifs de la microélectronique ultime (nanotransistors) ainsi que
les composants nanoélectroniques et de l'électronique moléculaire exploitant des nano-objets (fils
quantiques, boîtes quantiques, nanotubes de carbone, nanorubans de graphène,…) ou des molécules
fonctionnelles. Nous étudions les propriétés physiques de ces objets ainsi que les propriétés et modes
de transport dans les composants associés. Nous en explorons les applications possibles.
Nanoélectronique
- Du transport classique au transport quantique
- Formalismes de transport quantique : Landauer, fonctions de
Wigner et de Green
- Nano-transistor quasi-balistique
- Effet tunnel résonant, RTD, phénomènes de décohérence
- Boîtes quantiques, blocage de Coulomb, électronique à 1 électron
Electronique moléculaire
- Généralités sur l'électronique moléculaire
- Molécules conjuguées et fonctionnelles, transport moléculaire
- Nanotubes de carbone, graphène et nanorubans, transistors
Cours
18 h
TD
TP
12 h
Enseignants :
Philippe Dollfus , Marcello Goffman
17/55
TP
Prérequis : connaissances de base en physique quantique et physique des composants
semiconducteurs
Contrôle des connaissances : examen écrit
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanodis5 : Nanodispositifs électromécaniques
Responsable : Hervé Mathias
Objectifs : Ce module permet de montrer aux étudiants comment des micro et nanostructures
peuvent être conçues et fabriquées en vue de leur exploitation au sein de micro et nanodispositifs
électromécaniques. Les principes physiques de mise en œuvre de ces micro/nanoobjets ainsi que
leurs limitations sont également présentés. Enfin, différents exemples de capteurs ou d'actionneurs à
base de MEMS/NEMS sont étudiés. Des séances pratiques permettent de mettre en œuvre ces
connaissances pour la conception et la caractérisation de micro/nano capteurs.
Cours
Introduction sur les MEMS et NEMS
3h
Technologies de fabrication de MEMS et NEMS
6h
Dispositifs MEMS et NEMS (capteurs et actionneurs : principe, 6h
performances, limitations)
- Simulation de MEMS et NEMS (outil CAO Coventorware)
Techniques de caractérisation de MEMS et NEMS
- TP Vibrométrie optique
- TP LGEP : Mesures électriques petites échelles
- TP Mesures thermiques AFM
TD
TP
-
6h
3h
3h
3h
Enseignants :
H. Mathias, A. Bosseboeuf, E. Lefeuvre, F. Parrain, E. Dufour-Gergam, olivier Schneegans, XXX
AFM
Contrôle des connaissances : examen écrit + compte-rendu de TP
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanodis6 : Microtechnologies
Objectifs: Il s'agit de présenter ici les différentes méthodes de fabrication de micro et nanodispositifs
en utilisant des procédés de très haute technologie. Les techniques décrites sont celles issues de la
microélectronique ainsi que des techniques spécifiques telles que le micromoulage, la soudure de
substrat etc....
- Introduction
- Structures des matériaux
Cours
3h
3h
TD
TP
18/55
- Techniques de croissance de films (oxydation, CVD, PVD, MBE)
- Lithographie (UV)
- Gravure
- Procédés spécifiques aux systèmes hybrides (Technologies de
transfert, micromoulage avancé ...)
12h
4,5h
4,5h
3h
Enseignants : E. Dufour-gergam, Thierry Gacoin, Bernard Bartenlian
Contrôle des connaissances : Synthèse bibliographique concernant un verrou technologique
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanodis7 : Nanotechnologies
Responsables : A. M Haghiri-Gosnet et T. Gacoin
Objectifs : Ce module porte sur les technologies permettant l’élaboration d’objets de taille
nanométrique. En complément des connaissances acquises dans le module « Microtechnologies »
sur les technologies classiques de microfabrication, seront approfondies ici :
- les technologies récentes de nanofabrication dans l’approche descendante (« top down »), c’est à
dire les lithographies de très haute résolution (Litho UV profond, EUV, RX et lithographie
électronique) et les méthodes non-conventionnelles, telles que la lithographie molle et la
nanoimpression (lithographie molle, fabrication de tampons en PDMS, fabrication de circuits
fluidiques).
- l’auto-assemblage moléculaire sur surfaces dans l’approche ascendante (« bottom-up ») avec une
introduction à la physico-chimie des surfaces (auto-organisation, greffage moléculaire, etc...)
- l’élaboration de nanostructures par des voies électrochimiques
- l’élaboration par voies chimiques de matériaux nanostructurés intégrant des nanoobjets, comme des
nanoparticules d’oxydes, des quantum dots, des nanotubes de C, etc…
- l’élaboration par voies chimiques d’hétérostructures (empilement diélectrique, miroir de Bragg…)
-
Lithographies conventionnelles pour la fabrication d’objets nanométriques
(litho DUV, EUV, RX et électronique)
Lithographies molles (tampons en PDMS, nanoimpression, encrage
moléculaire et fabrication de dispositifs fluidiques)
Chimie de surface (auto-organisation, greffage moléculaire, etc...)
Matériaux hétérostructurés et nanostructurés intégrant des nanotubes,
nanoparticules, etc…
Electrochimie
Les nanofils (cours séminaire)
Cours
6h
TD
6h
6h
8h
3h
3h
32 heures de cours
Enseignants : Anne-Marie Haghiri, V. Huc, Philippe Allongue, T. Gacoin + un intervenant en séminaire
Prérequis : connaissances de base en physique et en matériaux
Contrôle des connaissances : Commentaires d’articles scientifiques + examen écrit
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
19/55
TP
UE Nanodis8 : Micronanobiosciences
Responsable : B. Bartenlian
Objectifs: Enseignement permettant à l’étudiant de comprendre les recherches actuelles en
biophysique à l’échelle du nanomètre ainsi que les principes physiques et biologiques de certains
biocapteurs miniaturisables dans les « lab on chip ». La formation permettra à l’étudiant de s’adapter
à des thématiques nouvelles à l’interface de la physique et des sciences du vivant. Dans cette
formation, nous aborderons également grâce à des séminaires les problèmes rencontrés en
interdisciplinarité reliés aux approches différentes entre biologistes et physiciens dans leurs
recherches. Les problèmes de bioéthiques liés à la manipulation d’objets du vivant seront également
abordés.
Cours TD
- Rappel de biologie de base : cellule, complexité dans les systèmes biologiques,
biologie moléculaire, l’ADN/ARN, les protéines, notion de génétique, l’évolution
(archaea, bactéries et eucaryotes), …
- Les biopuces optiques : rapidement celles à marqueurs fluorescents et de manière
approfondie celles sans marqueurs optique de la bioplasmonique
- Moteurs moléculaires abordés sous l’angle de la thermodynamique du vivant
6
3
3
3
- Tri cellulaire, comptage et microfluidique (aspects hydrodynamiques, « laboratoire
sur puce », …)
3
- Greffage de molécules biologiques (ADN, protéines,…)
- Microtechnologies appliquées à la biologie cellulaire (biocapteurs, puces à
neurone…)
3
3
- Nanoparticules appliquées à la biologie (caractérisation structurale et optique,
application à la vectorisation de médicament, à travers leurs propriétés plasmoniques
à l’imagerie et au traitement médical)
Travaux pratiques
Ces TP permettront également d’aborder les risques biologiques, les besoins en
terme d’environnement de travail.
- biopuces Agilent
3
3
- biopuces à plasmons de surface résonants (SPR)
Eventuellement :
- extraction de l’ADN
3
Séminaires sur les thèmes :
- Biologie appliquée aux nanotechnologies (biomimétisme, nanoélectronique à base
d’ADN, assemblage d’ADN et de protéines)
- Toxicité et écotoxicité
- Interdisciplinarité
- Bioéthique
20/55
TP
Enseignants :
Bernard Bartenlian (CR1), Michael Canva (DR2), Leonard Rabinow (Pr), Giovanni Cappello (CR1), JL
Viovy(DR), C. Smadja (MdC), A. Pallandre (MdC)
Prérequis : connaissances de base en physique et chimie et notions de biologie niveau terminal
Contrôle des connaissances : examen écrit, notes de TP
UE Nanodis9 : Modélisation et simulation des MEMS/NEMS
Responsable : J. Juillard
Objectifs: apporter aux élèves toutes les notions nécessaires à l’obtention d’un modèle d’ordre réduit
de ces structures.
Cours , cours-TP 30h
Les équations régissant la physique des MEMS et des NEMS (mécanique, électrostatique, fluidique,
etc.) sont établies, simplifiées, commentées et illustrées. L’objectif de cette partie du cours est de
donner aux élèves suffisamment de « sens physique » pour qu’ils puissent avoir une idée du
comportement d’un système sans faire appel à un outil de simulation. L’accent est mis sur l’obtention
et l’interprétation d’expressions analytiques décrivant le fonctionnement des systèmes MEMS et
NEMS.
Les étudiants seront, à l’issue de ce cours, familiers avec les notions de physique mentionnées plus
haut, avec la méthode de Fourier (analyse modale) et avec la méthode de la première harmonique
(essentielle pour la conception de capteurs résonants). Les méthodes de résolution numérique
d’équations aux dérivées partielles (éléments finis, éléments frontières) sont également traitées.
Ces cours sont mis en pratique à l’occasion de trois « bureaux d’étude ». L’objectif est également de
ce familiariser avec des outils de simulation utilisés couramment lors de la conception des MEMS :
• Etablissement d’un modèle d’ordre réduit d’un micro-interrupteur incluant diverses nonlinéarités, sous Matlab/Simulink.
• Calcul des déformations d’une structure 3D avec la méthode des éléments finis, sous
ANSYS.
• Calcul de la capacité d’une structure électrostatique 2D avec la méthode des éléments
finis, celle des éléments frontières et différentes approximations analytiques.
Enseignants : J. Juillard
Prérequis : connaissances de base en physique et mathématiques ainsi que de matlab
Contrôle des connaissances : modélisation de structures MEMS/NEMS et comparaison des résultats
obtenus à ceux (simulés ou expérimentaux) issus de la littérature.
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanodis10 : Optoélectronique
Responsable : Delphine Marris-Morini
type d’UE : CM + TD + TP
Mention : Information, Systèmes et Technologie (EEA)
21/55
Objectifs : Ce module porte sur les composants optoélectroniques fonctionnant aux longueur
d’ondes des télécommunications optiques (proche infra-rouge), allant des aspects
fondamentaux concernant l’interaction lumière/matière jusqu’à l’étude des composants
optoélectroniques à semiconducteurs. La montée en fréquence de ces composants jusqu’à
des débits de transmission de plusieurs dizaines de Gbit/s sera particulièrement étudiée.
•
•
•
•
Les circuits intégrés photoniques :
o Guidage de la lumière
o Composants optiques passifs : diviseurs, filtres, etc…
Les composants optoélectroniques :
o Interaction lumière/matière
o Laser à semiconducteurs
o Modulateur
o Photodétecteur
o Problématique de la montée en fréquence des composants
optoélectroniques
Lignes de transmission et guides d’ondes hyperfréquences
Composants optoélectroniques hyperfréquences
Cours
TD
TP
15 h
9h
8h
Enseignants : E. Cassan (MC), D. Marris-Morini (MC), P. Crozat (PU)
Prérequis :
Mise en commun : --Nombre maximum d’inscrits : --Contrôle des connaissances :
examen écrit de 3 h+ Compte-rendu de TP
ECTS : 3
UE Nanodis11 : Emission et réception terahertz et composants rapides
Responsable : N. Zérounian
type d’UE : CM + TD + TP
Objectifs : Longtemps un domaine uniquement exploré dans des expériences de recherche en
physique, la gamme de fréquence térahertz suscite un intérêt croissant pour des applications comme
par exemple la spectroscopie moléculaire, la détection sécuritaire, l’analyse biologique non invasive et
les réseaux locaux de télécommunications. La technologie microélectronique permet progressivement
de rendre plus compacte les sources et les détecteurs THz, par voie électronique (onde
submillimétrique) et par voie optique (lointain infrarouge). L'objectif de cet UE est d’apporter une
connaissance des différentes solutions technologiques pour générer et détecter des ondes THz,
particulièrement avec des dispositifs semi-conducteurs, et permettant l’insertion dans les équipes de
recherche travaillant dans ce domaine de fréquence.
Une partie de cette UE vise l’enseignement des spécificités du transport des électrons et des trous
dans les puits quantiques contraints III-V et IV-IV qui sont au cœur des transistors à effet de champs
ultra courts qui présentent des performances hyperfréquences à l’état de l’art. Un volet important du
cours consiste en une présentation des technologies de transistors et de diodes qui permettent
d’atteindre des fréquences de fonctionnement entre 400 GHz et 1,2 THz.
TP à définir, liste des intervenants indicative.
Cours
I.1 Processus physiques aux fréquences THz
9h
Les ondes électromagnétiques THz, de l’émission à la réception, lentilles, miroirs,
antennes et guides
TD
22/55
TP
Les électrons et les plasmons, les photons et les phonons
Métal, diélectrique et plasma
Emission/détection cohérente et non cohérente
Interaction électron/onde :
Tube à onde progressive, laser à électron libre, plasmons de surface, cristaux
optique non linéaire, photocommutation
I.2 Composants électroniques rapides
9h
Le transport des électrons et des trous dans les hétérostructures III-V et IV-IV
contraintes
Les HFET et les TBH ultrarapides
Les diodes à retard, diodes Gunn et diodes à effet tunnel résonant
II.1 Sources, détecteurs, mélangeur par voie électronique
3h
Mélangeur et multiplieur de fréquence à diode Schottky
Oscillateur à diodes (Gunn, IMPATT) ou à transistors (TBH, HFET)
Bolomètre…
Système : analyseur de spectre
II.2 Sources, détecteurs, mélangeur par voie optique
3h
Lumière, rayonnement thermique et plasma
Laser à gaz, laser à cascade quantique
Photocommutation (impulsion femtoseconde), battement de fréquence
Cristaux électrooptiques
Système : Echantillonnage électrooptique
3h
3h
Enseignants :
Frédéric Aniel (PR), Raffaele Colombelli (CR), Paul Crozat (PR), Juliette Mangeney (CR), Nicolas
Zerounian (MC)
Prérequis :
Mise en commun :
Contrôle des connaissances : examen écrit de 3 h (3/4) + moyenne des TP (1/4)
ECTS : 3
UE Nanodis12 : Nanotechnologies pour le diagnostic et la thérapeutique
Responsable : C. Smadja
Objectifs : Définir les potentialités des nanobiotechnologies ainsi que leurs applications dans le
domaine de la santé selon trois axes :
- nanomachinerie du vivant, nano imagerie
- le diagnostic in vitro ou in vivo : problématique des biopuces et des laboratoires sur puce
- la thérapeutique ; le développement de nouveaux médicaments à base de nanostructures ou la
délivrance « intelligente » de médicaments et le suivi thérapeutiques ;
Cours
30h
TD
-Nanomachines du vivant
-Nanoimagerie
-Puces à ADN et à protéines
-Particules magnétiques appliquées au diagnostic
-Vecteurs nanoparticulaires
-Biocapteurs
-Laboratoire sur puce appliqué au diagnostic
-Cancer et nanomédecine
23/55
TP
Enseignants : Andrieux Karine (P11), Bochot Amélie (P11), Guilloux Jean-Philippe (P11), KerdineRomer Saadia (P11), Pallandre Antoine (P11), Perdiz Daniel (P11), Smadja Claire (P11), Taverna
Myriam (P11),
Prérequis :
Mise en commun :
Nombre maximum d’inscrits :
Contrôle des connaissances : Examen coefficient 2, Présentation orale coefficient 1
nb ECTS : 3
UE Nanodis13 : Projet technologique
Objectifs : Dans ce module, il s'agit d'étudier de manière globale un microdispositif ou nanodispositif
pour une application spécifique. Après une étude bibliographique très courte sur le sujet choisi, il faut
proposer des outils de conception, réaliser des microdispositifs ou des fractions de microdispositifs en
salle blanche et les caractériser. Les trois volets (conception, réalisation et caractérisation) devront
apparaître dans l'ensemble des projets mais chaque étudiant développera l'un d'entre eux en fonction
de ses propres compétences. Les sujets proposés seront très fondamentaux ou directement proposés
par des entreprises.
Ce module s'adresse aux étudiants curieux et aimant prendre des initiatives mais chacun d'entre eux
sera guidé par un enseignant spécialiste du domaine.
Exemple de projets : micropoutres actionnées de manière électrostatique, les MEMS dans
l'automobile, l'actionnement.
Enseignants : E. Dufour-Gergam , N. Yam, …
Contrôle des connaissances : rapport scientifique du projet et soutenance orale
___________________________________________________________________________
nb d’heures : 30h
ECTS : 3
UE Nanodis14 : Nanomatériaux
Responsable : T. Gacoin
Objectifs :
Cours
30h
TD
Enseignants :
Prérequis :
Mise en commun :
24/55
TP
nb ECTS : 3
UE Nanodis15 : Nanomatériaux pour l’énergie solaire photovoltaïque
Responsable : P. Roca i Cabarrocas
Objectifs : L’objectif du cours est de fournir les bases pour comprendre le fonctionnement d’une
cellule solaire. A partir de la jonction P-N on identifiera les facteurs qui limitent le rendement et les
solutions possibles, le tout dans l’objectif d’augmenter le rendement sans pour autant augmenter les
coûts de production. L’apport de la nanostructuration des matériaux, l’utilisation d’effets quantiques
pour moduler le gap de nanocristaux de silicium et l’utilisation de nanofils seront aussi étudiés.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Cours
24 h
TD
6h
Contexte énergétique, le rôle des énergies renouvelables
Semi-conducteurs, jonction P/N, cellules et modules à base de silicium
cristallin
Comment aller vers un rendement de 25% avec du silicium cristallin
Eléments d’optique
Filières couches minces et organique ou comment réduire les coûts
Procédés plasma à basse température : du dépôt de couches minces à la
synthèse de nanocristaux
Nanostructuration pour le piégeage optique. Effets photoniques
Cellules à base de nanofils, quantum dots,…
Nouveaux concepts
Enseignant : Pere Roca i Cabarrocas (DR Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches
Minces, Ecole Polytechnique)
Prérequis :
Mise en commun
ECTS : 3
25/55
TP
Parcours Nanochimie
Responsable : T. Mallah
Objectif :
L’objectif du parcours Nanochimie du M2 Nanosciences est de donner aux étudiants une formation
approfondie dans les domaines modernes des nanomatériaux, des matériaux moléculaires et des
nano-objets qui constituent une partie importante des défis majeurs des nanosciences. Cette
formation allie plusieurs aspects allant de la conception jusqu’à la compréhension des propriétés
physiques en passant par la caractérisation et l’élaboration des systèmes à l’échelle nanométrique.
Organisation :
Douze modules sont proposés (2 modules de tronc commun à la spécialité et 10 modules spécifiques
au parcours Nanochimie).
Nanoparticules inorganiques et organiques : préparation, structure et applications
Nanotubes de carbone et graphème
Chimie de surface
Nanocomposites hybrides Organique-Inorganique et Matériaux Multifonctionnels Poreux hybrides
Magnétisme moléculaire, du solide et électronique de spin
Spectroscopie d’absorption et de photoélectrons des rayons X
Techniques physico-chimiques d’analyse à l’échelle nanométrique
Microscopie éléctronique et en champ proche
Nanotechnologies pour le diagnostic et la thérapeutique
Projet recherche 1
27/56
MEB, TEM, EDS
AFM
STM
MEB, TEM, EDS
Cours Cours-TP
6h
6h (2 x1/2j)
5h
6h (2 x1/2j)
4h
3h (1 x1/2j)
6h
6h (2 x1/2j)
Mise en commun :
ECTS : 3
carbone
observation
oxydase
Cours-TP
3h
3 X 3h
3h
3 X 3h
4 x 3h
3h
2x3h
3h
3h
3h
3h
3h
27/55
TP
2 X 3h
2 X 3h
Enseignants :
extrêmement réduit. Une liste non exhaustive des enseignants apparait dans la description de l’équipe
pédagogique.
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanochim1 : Nanoparticules inorganiques et organiques: préparation, structure et
applications
Responsable : Th. Gacoin
Objectifs: permettre aux élèves d’avoir une connaissance approfondie des mécanismes de nucléation
et croissance de différents types de particules (inorganiques et organiques). Avoir une bonne
connaissance des applications de différents types de nanoparticules.
Cours
Ce cours exposera les différentes méthodologies de synthèse visant à
30h
obtenir des nanoparticules inorganiques de tailles et morphologies
contrôlées. Après une introduction de notions générales communes à
l’ensemble des matériaux, les diverses méthodes de synthèse seront
illustrées dans un second temps par des exemples choisis dans
différents domaines. Les applications liées à la réduction de taille du
matériau et de l’assemblage de nanoparticules seront abordées dans
les domaines du magnétisme, de l’optique, de la catalyse et du
biomédical.
Partie A: Elaboration de nanoparticules
Chapitre 1: Introduction (mécanisme de nucléation-croissance)
Chapitre 2: Méthodes de synthèse:
2.1 précipitation contrôlée
2.2 micelles
2.3 sol-gel
2.4 synthèse hydrothermale
2.5 CVD
2.6 Synthèse par voie photochimique et radiolytique des
nanoparticules de métal et de semiconducteurs
2.7 Propriétés redox des clusters métalliques et leur réactivité
Chapitre 3: Croissance de nanocristaux de différentes formes
Partie B: Principales applications des nanoparticules
Chapitre 1: Nanoparticules magnétiques
Chapitre 2:
Propriétés optiques de nanoparticules et de leurs
assemblages (semiconducteurs, métaux)
Chapitre 3: Nanoparticules et catalyse
Chapitre 4: Applications biomédicales des nanoparticules
Partie C : Nanoparticules organiques
Chapitre1 : voies de synthèse de NPs organiques (polymérisation en
milieu dispersé, précipitation…) ainsi que l’introduction de
fonctionnalités,
Chapitre 2 : les exemples d’applications dans le domaine des capteurs
notamment fluorescents, en photonique, en biologie et dans le
domaine des nanomatériaux
28/55
Enseignants : Th. Gacoin, C. Larpent
Prérequis : connaissances de base en chimie
Contrôle des connaissances : examen écrit et analyse d’un article de revue récent
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanochim2 : Nanotubes et graphène
Objectifs: L’objectif de ce cours est de donner un aperçu de la science des nanotubes tant sur le plan
fondamental que d’un point de vue des applications. Ce cours sera également l’occasion d’aborder les
propriétés du graphène (objet tout récent expérimentalement), pour lesquelles il existe une relation
étroite avec celles des nanotubes
Après une introduction historique du domaine, permettant aux
étudiants de réaliser le caractère contemporain des différents
développements en recherche, on décrira les différentes voies de
synthèse physiques et chimiques utilisées actuellement pour la
production de nanotubes.
Une large partie du cours sera ensuite consacrée à un exposé des
propriétés structurales et électroniques du graphène et des nanotubes
de carbone et de leurs homologues de nitrure de bore. On décrira en
particulier les spécificités de la structure de bandes électronique des
nanotubes et on décrira quelques effets physiques fondamentaux qui
en découlent (magnétisme orbital, effet Fabry Perrot). Dans un
deuxième volet, on traitera des différents mécanismes physicochimiques utilisés pour modifier les propriétés électroniques et
chimiques des nanotubes (dopage électronique, modification de la
réactivité par des procédés tels que l’intercalation, la substitution, la
fonctionnalisation).
Une dernière partie sera consacrée aux applications à base de
nanotubes exploitant leurs propriétés d’émission de champ comme
canons à électrons, leurs propriétés mécaniques exceptionnelles
pour la réalisation de matériaux novateurs, ou encore leurs
propriétés électroniques uniques pour leur implication en
nanoélectronique. Cette partie sera l’occasion d’aborder les
différentes solutions chimiques ou physiques utilisées pour
manipuler ces nano-objets: procédés de purification et de
fonctionnalisation, ou encore techniques de nanolithographie
Cours , TP
30h
Enseignants M. Ferrier, J. Cambedouzou, O. Stéphan
Prérequis : connaissances de base en structure électronique, modèle de bande et modèle des
orbitales moléculaires
Contrôle des connaissances : examen écrit 3h
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
29/55
UE Nanochim3 : Chimie de surface et électrochimie
Responsable : Ph. Allongue
Objectifs: D’une part donner une vue générale de l’importance de la chimie de surface et
des techniques de fonctionnalisation des surfaces en nanosciences d’un point de vue
fondamental et appliqué. D’autre part donner les bases indispensables à la compréhension
des processus électrochimiques utilisés dans les nanosciences.
Cours
L’interface solide – liquide permet la synthèse de nano objets et
30h
nanomatériaux selon des procédés de chimie douce, permet de
modifier chimiquement des surfaces définir pour « ajuster » leurs
propriétés physiques et chimiques. L’interface solide – liquide est
cependant le siège de phénomènes complexes qu’il convient de
comprendre et caractériser à l’échelle moléculaire. On peut citer la
corrosion, l’adhésion, la mouillabilité, l’activité catalytique, le transport
de charges, la communication cellulaire, etc.…. Tous ces phénomènes
sont exacerbés avec l’augmentation du rapport surface/volume.
Caractériser et comprendre les réactions à l’interface solide – liquide
devient donc fondamental dans les nanosciences et les
nanotechnologies (catalyse, optique, (opto) électronique, magnétisme,
(bio) capteurs, biomédical etc.).
Au cours de ce module, seront présentés:
- les principales techniques de fonctionnalisation des surfaces et
leurs applications dans le domaine des nanosciences et la
réalisation de dispositifs fonctionnels.
- les principaux concepts de l’électrochimie appliqués à la synthèse,
la modification chimique et la structuration mais aussi de
caractérisation de nano objets.
- les outils de caractérisation in situ des interfaces solide - liquide.
Enseignants M. Ph. Allongue, V. Huc, S. Palacin
Prérequis : connaissances de base en chimie et électrochimie
Contrôle des connaissances : analyse d’un article récent
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanochim4 : Nanocomposites hybrides Organique-Inorganique et Matériaux
Multifonctionnels Poreux hybrides
Responsable : A. Bleuzen
Objectifs: apporter aux étudiants des connaissances approfondies dans des domaines émergeant de
la nanochimie :
- les matériaux hybrides organique-inorganique où les composantes organique et inorganique forment
des nanocomposites dont la structure est ajustable à plusieurs échelles et qui présentent les
propriétés (optiques, mécaniques, catalytiques…et les mises en forme (poudre, monolithe, films…)
requises pour des applications variées.
- les matériaux hybrides poreux et multifonctionnels par leur structure, leur réactivité et leurs
applications dans les domaines de la biologie et de l’ énergie.
Cours
Nanocomposites hybrides Organique-Inorganique
30h
Un matériau hybride organique – inorganique est un système
30/55
organominéral ou bio minéral dans lequel l’une au moins des
composantes (organique ou inorganique) se situe dans un domaine de
taille compris entre le dixième et la dizaine de nanomètres. Cette
chimie s’est développée en grande partie grâce aux avancées
spectaculaires des trente dernières années dans la maîtrise des
réactions de polymérisation inorganique à partir de précurseurs
moléculaires métallo-organiques ou minéraux. Les conditions de
chimie douce mises en jeu offrent une exceptionnelle richesse de
combinaison de propriétés et de mise en forme. Le cours présente les
principales stratégies utilisées pour élaborer des nanocomposites
hybrides en fonction de l’application visée. Après une brève
introduction, il se compose de trois parties :
1. Matériaux hybrides de classe I (Interaction organique-inorganique
faible) :
Chimie des alcoxydes et flexibilité de mise en forme liée à la transition
sol-gel – Stratégies d’élaboration de matériaux hybrides de classe I –
Exemples d’applications.
Avantages et inconvénients de cette voie de synthèse.
2. Matériaux hybrides de classe II (Interaction organique-inorganique
forte) :
Stratégies de formation de l’interface organique-inorganique –
Préfonctionnalisation de précurseurs, postfonctionnalisation-Greffage –
Exemples d’applications.
Avantage et inconvénients de cette voie de synthèse, comparaison de
propriétés de matériaux hybrides de classes I et II.
3. Chimie Sol-Gel en présence d’agents structurants – Oxydes
mésoporeux :
Les surfactants – Utilisation de surfactant comme agent structurant
pour l’élaboration d’oxydes nanostructurés – Fonctionnalisation des
oxydes mésoporeux- utilisation comme matrices hôtes – Exemples
d’applications.
Matériaux Multifonctionnels Poreux hybrides
Les solides poreux sont devenus au fil du temps des matériaux
stratégiques pour les pays industrialisés dans les domaines de la
pétrochimie, de la chimie fine, de la catalyse et de l’adsorption des
gaz. Ces matériaux tridimensionnels sont en effet les seuls à posséder
une triple caractéristique : ils possèdent à la fois un squelette, bien sûr
des pores réguliers à l’échelle nanométrique et enfin une surface
spécifique interne utilisée en catalyse et en séparation de gaz. La
nouvelle famille des solides poreux hybrides a vu le jour en 1990. À
l’inverse des solides poreux inorganiques dont le squelette ne
comportait que des entités inorganiques (silicates, aluminates,
phosphates de métaux d’abord diamagnétiques puis magnétiques, le
squelette des solides poreux hybrides est constitué de parties
organiques (essentiellement des carboxylates, des phosphonates et
des sulfonates) et inorganiques (métaux, clusters, chaînes…) liées
entre elles exclusivement par des liaisons fortes, ce qui les différencie
de la chimie supramoléculaire. La modularité quasi-infinie de la partie
organique en particulier autorise une grande diversité dans les tailles,
les formes et les fonctionnalités de ces nouveaux solides, les parties
inorganiques étant par contre responsables des propriétés physiques
de
ces
nouveaux
matériaux
(conductivité,
magnétisme,
luminescence…).
Les caractéristiques structurales de ces nouveaux solides en font une
classe très prometteuse de matériaux multifonctionnels qui trouvent
déjà de nombreuses applications. Certains d’entre eux font déjà l’objet
de productions industrielles dans les domaines concernés par les
problèmes sociétaux actuels (énergie, développement durable,
santé…).
31/55
Ce cours développera chacun de ces aspects
1.
Un peu d’histoire
2.
La chimie des solides poreux hybrides (les méthodes de
synthèse, les paramètres pertinents)
3.
Les aspects structuraux (les conventions, les règles de
construction)
4.
Les mécanismes de formation ; études in situ
5.
La prédiction de nouvelles structures
6.
Les applications dans les domaines de l’énergie (stockage de
H2), le développement durable, la pollution (capture CO2, catalyse…)
et la santé (relarguage de médicaments)
Enseignants : A. Bleuzen, Ch. Serre
Prérequis : connaissances de base en chimie de coordination, inorganique et en cristallographie
Contrôle des connaissances : examen écrit et analyse d’un article récent
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanochim5 : Magnétisme moléculaire, du solide et électronique de spin
Responsable : P. Berthet
Objectifs: compléter et approfondir les connaissances des étudiants en magnétisme et leur permettre
d’appréhender le domaine de l’électronique de spin et les applications qui en découlent.
La première partie du cours focalise sur les mécanismes de
l’interaction d’échange au sein de molécules bi et polymétalliques
magnétiques, le rôle de central de l’anisotropie dans l’apparition du
blocage de l’aimantation sera discuté.
La deuxième partie a pour objectif de présenter les principales
caractéristiques d'oxydes à propriétés électriques ou magnétiques
remarquables en mettant en avant les relations entre leur structure
cristalline et la propriété considérée. On s'intéressera en particulier aux
oxydes ferroélectriques, magnétorésistifs et supraconducteurs.
La troisième partie sera une initiation à l’électronique de spin en
mettant l’accent sur les aspects fondamentaux et sur les applications
diverses.
Cours
30h
Enseignants : A. Barthélémy, P. Berthet, T. Mallah
Prérequis : connaissances de base en mécanique quantique et en magnétisme
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanochim6 : Spectroscopie d’absorption et de photoélectrons des rayons X
Responsable : A. Etcheberry
32/55
Objectifs : l’objectif de ce cours est de donner aux étudiants des bases solides dans le domaine de la
spectroscopie X appliquée aux objets de taille nanométrique et aux surfaces fonctionnalisées par des
molécules en monocouche
La première partie est une introduction aux possibilités offertes par le
rayonnement synchrotron pour la détermination de l’ordre et de la
structure électronique (EXAFS, XANES). Les méthodes sont illustrées
par des exemples empruntés à la chimie de coordination, aux milieux
colloïdaux, micellaires et au solide inorganique. La deuxième partie
sera consacrée à la spectroscopie de photoélectrons X. Une partie
sera consacrée à une présentation théorique de la technique montrant
toutes ses possibilités et une autre focalisera sur ses applications pour
l’étude des nano-objets, l’analyse et l’imagerie des surfaces
fonctionnalisées. Une séance de travaux pratiques sera consacrée
pour la découverte des appareils et l’étude de quelques spectres.
Cours TP
26h
4
Enseignants : V. Briois, Ch. Cartier, A. Etcheberry
Prérequis : connaissances de base en spectroscopie
___________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanochim7 : Techniques physico-chimiques d’analyse à l’échelle nanométrique
Responsable : F. Miomandre
Objectifs : utilisation de la fluorescence et de l’électrochimie pour l’analyse et la caractérisation de
systèmes nanostructurés
La
fluorescence
et
l’électrochimie
sont
des
techniques
complémentaires permettant la mesure de propriétés physicochimiques à l’échelle locale : pH, concentration, solvatation. Utilisées
dans des conditions bien spécifiques, ces deux techniques permettent
d’apporter des informations à l’échelle nanométrique : étude de la
diffusion
électronique
dans
les
matériaux
nanostructurés,
caractérisation de nanosystèmes inorganiques (quantum dots) et
biologiques (protéines), détection de molécules uniques...
Ce module décrira ces aspects en relation avec des problématiques de
recherche actuelles, à la fois du point de vue des concepts théoriques
que des développements instrumentaux nécessaires.
1.
Cours
30h
Fluorescence
Rappels des concepts de base
Techniques permettant le franchissement de la limite de
diffraction : TIRF, SNOM, 4π, molécule unique, STED.
• Utilisation du FRET pour la mesure de distances à l’échelle
nanométrique
• Exemples d’applications aux systèmes de dimensions
nanométriques : nanoparticules, quantum dots, nanocristaux,
matériaux nanostructurés.
• Exemples d'applications aux protéines fluorescentes
•
•
33/55
2.
•
•
•
•
•
Électrochimie
Rappels: Notion de couche de diffusion, relations tempsdistance,
techniques
de
base
(voltampérométrie,
chronoampérométrie ...)
Utilisation des microélectrodes pour les mesures locales :
application à l’étude de systèmes biologiques
Rappels sur les électrodes modifiées : aspects cinétiques.
Etude de systèmes de dimensions nanométriques
fonctionnalisés par des entités redox : nanoparticules,
dendrimères, protéines
Etude de la diffusion électronique dans des matériaux
nanostructurés : gels mésoporeux, polymères conducteurs
électroniques.
Enseignants : Fabien Miomandre, Robert Pansu, Rachel Méallet-Renault, Pierre Audebert, Hélène
Pasquier, Marie Erard, Pedro De Oliveira
Prérequis : connaissances de base en spectroscopie et en électrochimie.
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanochim8 : Microscopie électronique et en champ proche II
Objectifs : L’objectif de ce cours est de présenter deux techniques de microscopie pour l’observation
des objets de taille nanoscopique et pouvant dans certains cas aller jusqu’à une résolution atomique.
Ce module est un approfondissement du cours « microscopies et
spectroscopies » de tronc commun.
Les principes de la microscopie électronique et de ses composantes
analytiques seront abordés: imagerie conventionnelle, diffraction et
imagerie dite haute résolution pour la caractérisation structurale et
quelques techniques spectroscopiques pour l'analyse chimique. Ces
techniques seront illustrées sur quelques exemples (interfaces,
agrégats, nanotubes, nanoparticules...) et mises en œuvre
expérimentalement : travaux pratiques sur microscope électronique en
transmission à haute résolution, caractérisation structurale à partir
d’analyses et de simulations d’images sur des nanotubes et des
nanoparticules.
Les principes des microscopies STM et AFM seront abordés et
approfondis. Les aspects théoriques seront intégrés au sein des
travaux pratiques : en STM, nous étudierons une surface de graphite
et cherchons à visualiser le réseau atomique, en ce qui concerne
l’AFM nous proposons de découvrir différents types de microscopes
pour souligner à la fois la versatilité d’un tel système et la possibilité de
mesurer autre chose que de la topographie:
-Le MFM (Magnetic Force Microscope) pour l’étude du magnétisme à
l’échelle nanométrique (étude de pistes de disque dur).
-L’AFM thermique pour la mesure locale de température ou de
conductivité thermique (analyse de polymère di-block et visualisation
du chauffage de dispositifs intégrés).
-Le Résiscope pour la mesure de résistivité électrique d’objets
Cours TP
6h
24h
34/55
nanométriques.
-L’AFM en milieu liquide pour l’étude d’échantillons biologiques
(visualisation de bactéries vivantes et étude de leurs membranes).
Enseignants : O. Stéphan, A. Dazzi, E. Boer Duchemin
Prérequis : connaissances de base en microscopie et spectroscopie
Contrôle des connaissances : examen écrit et compte-rendu de TP
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
UE Nanochim9 : Nanotechnologies pour le diagnostic et la thérapeutique
Responsable : C. Smadja
Objectifs : Définir les potentialités des nanobiotechnologies ainsi que leurs applications dans le
domaine de la santé selon trois axes :
- nanomachinerie du vivant, nano imagerie
- le diagnostic in vitro ou in vivo : problématique des biopuces et des laboratoires sur puce
- la thérapeutique ; le développement de nouveaux médicaments à base de nanostructures ou la
délivrance « intelligente » de médicaments et le suivi thérapeutiques ;
Cours
30h
TD
-Nanomachines du vivant
-Nanoimagerie
-Puces à ADN et à protéines
-Particules magnétiques appliquées au diagnostic
-Vecteurs nanoparticulaires
-Biocapteurs
-Laboratoire sur puce appliqué au diagnostic
-Cancer et nanomédecine
Enseignants : Andrieux Karine (P11), Bochot Amélie (P11), Guilloux Jean-Philippe (P11), KerdineRomer Saadia (P11), Pallandre Antoine (P11), Perdiz Daniel (P11), Smadja Claire (P11), Taverna
Myriam (P11),
Prérequis :
Mise en commun :
Contrôle des connaissances : Examen coefficient 2, Présentation orale coefficient 1
nb ECTS : 3
36/56
TP
International track in Nanosciences
Responsable : D. Chauvat / N. D. Lai / T. Gacoin
Organisation :
Ce parcours est constitué des deux modules obligatoires de tronc commun, de dix modules
optionnels (au choix) et d'un stage de 18 semaines.
Physical Chemistry of Nanostructured Materials
Nanothermics
Nonlinear Optics and Nonlinear Microscopies
Nanotubes: production, characterisation, properties and applications
Biosensors
Ion Channel recording biochip technology
Nanoscaling of physical properties
Guided and coupled waves
Charge screening and transport in nanostructures
From molecular optics to nanobiophotonics
Quantum Optics
Nanophotonics (and photonic chrystals)
Near field and sub-wavelength microscopies
Nonlinear Optics of Semiconductor : fundamentals and applications
Semiconductor Physics and Components
Nanomagnetism ans spintronics
Plasma for micro- and nanotechnologies
Biophotonics : Theoretical aspects to the use of fluorescence in Biology
French language for foreigners
36/55
type d’UE :
MEB, TEM, EDS
AFM
STM
MEB, TEM, EDS
Cours Cours-TP
6h
6h (2 x1/2j)
5h
6h (2 x1/2j)
4h
3h (1 x1/2j)
6h
6h (2 x1/2j)
Mise en commun :
ECTS : 3
UE Nanotc-2 : Fabrication and characterisation of nanodevice and nanoobjects
Objective : This unit aims at implementing different fabrication and characterization technologies in
Nanosciences. This UE enables to use different technological facilities of the different institutions, in
particular the facilities of the clean room of the micro-nano technology center CTU Minerve.
Students follow theoretical lessons with practical trainings in small group of 4 students. Each student
has to follow 10 sessions of 3 hours of practical works. The student’s choice of the sessions, among
which at least a session of practical in clean room, will be guided by the persons in charge of the unit
and by the availability of the proposals.
Examples of practical training:
- Fabrication of chips by PDMS technology for microfluidics
- Electrical connections of carbon nanotubes for electrical characterizations
- Elaboration of Si nanowires on self organized surface
- Elaboration and characterization of GMI structures
-Synthesis of organic and inorganic nanoparticules
-Grafting of molecules and nanoparticules on functionalized Si surface and
observation
-Observation and analyses of FRET by fluoresecence lifetime imaging (FLIM) between
fluorescent proteins inside cells
- Cyclical voltametry of a redox protein
-Electrocatalytical dosage of glucose with the presence of oxidase glucose
- Characterization of electrical properties of nanostructures by using a resiscope
- Elaboration of nanostructures by electrochemistry
- Elaboration of nanopattern film by CVD
- Surface analisis by XTP after functionalization
- Ferromagnetic resonance, Kerr effect
- Elaboration of ultra thin magnetic layers
….
3h
3 X 3h
3h
3 X 3h
4 x 3h
3h
2x3h
3h
3h
3h
3h
3h
2 X 3h
2 X 3h
3h
37/55
TP
Prerequisites: : The practical training will take place inside the 7 establishments
Prérequis : basis in physics
Grade breakdown: reports
___________________________________________________________________________
Number of hours: 30 h
ECTS: 3
Unit: Physical Chemistry of Nanostructured Materials
Main professor: G. Dantelle
Teaching form:
lectures (Lect), problem solving sessions (PSS), labworks (LW)
Objectives : Provide the basic concepts of solid state chemistry applied to the elaboration of
nanostructured materials - Discuss on the specific structure-properties relationships in this class of
materials – Provide numerous examples in the field of optics, biology, magnetism ... connected to
state of the art research issues and industrial applications.
Outline (with number of hours per part)
Molecular functionnalization of interfaces
• Molecular self assemblies (SAMs, Langmuir Blodgett films...)
• Chemical grafting of surfaces (silanisation for biochips…)
• Hybrid materials (mesoporous sol-gel films, Metal Organic Frameworks…)
Chemical processing of nanostructured materials
• Solution based deposition of thin films : polymer, metal, oxides.
• Materials microstructure – thermal effects of annealing
• Nanostructured films from colloidal nanoparticles
• Nanoparticulate composite films
• Layer by layer deposition of heterostructures
• self-organized 2D or 3D nanostructures
Structure – properties relationship in nanostructured materials
• Crystal structure and structural transitions in nanocrystalline materials: the
case study of ferroelectrics. The PDF technique: a relevant probe of the
crystal structure in nanocrystals?
• Magnetis properties of nano-materials. Magnetization processes in bulk and
nano-materials: nanoparticles (NPs) and assemblies of NPs. Surface effects
and exchange coupling in nanomaterials. Recent developments in the
design of magnetic NPs and ferrofluids for biomedical applications.
• Optical properties of nanomaterials
• Reactivity of metallic and oxide-based nanoparticles: application to catalysis
and photocatalysis.
• Specific role of the microstructure in magnetoresistive, multiferroic or
thermoelectric nanomaterials.
Lect
nh
4
PSS
mh
2
8
4
8
4
Teachers:
G. Dantelle – S. Perruchas – I. Maurin – T. Gacoin
Physique de la matière Condensée, Ecole Polytechnique
Prerequisites:
38/55
LW
lh
Course given in common with :
Maximum number of students:
Evaluation: 3h written exam
Total number of hours :
30 h
Total number of credits (ECTS) :
3
Unit: Nanothermics
Main professor: Bruno PALPANT
Teaching form:
lectures (Lect), conferences, labworks (LW)
Objectives : Heat generation and propagation at the nanoscale has become a challenging issue, not
only for applications such as energy transport and conversion, nanoelectronics, microscopy and
metrology, nanoscale chemical reactors or novel therapies against cancer, but also for the new
physics it contains, due to confinement.
In this lecture, different aspects will be covered, in the form of lectures and conferences devoted to
formal basis, modelling approaches, recent experimental results and applications in various fields.
Topics included: phonon transport in nanostructures, near-field radiative heat transfer, light-heat
conversion in metal nanoparticles, thermoelectricity, metrology tools (scanning thermal microscopy,
time-resolved optical measurements, topological probes and thermal imaging of nanostructures). A
special emphasis will be put on the photo-induced heat generation in metal nanostructures and its
applications. Labworks will be also included.
1. Heat generation and transport at the nanoscale
• Phonon transport in nanostructures
• Near-field radiative heat transfer
• Photo-induced heat generation in metal nanoparticles and applications
• Thermoelectricity
2. Metrology and simulation
• Scanning Thermal Microscopy
• Infrared Photothermal Imaging
• Ultrafast transient spectroscopy
• Numerical simulation of thermal exchanges
3. Conferences from selected contributors
Lect
nh
14
PSS
mh
10
3
Teachers: Bruno Palpant, professor at Ecole Centrale Paris, Sebastian Volz, research director at
CNRS, Alexandre Dazzi, assistant professor at Université Paris Sud, + other contributors
Prerequisites: Solid-state physics, optics and electromagnetism in matter, thermodynamics (L3 level)
Course given in common with: Erasmus Mundus Monabiphot
Maximum number of students: 20
Evaluation: labwork reports, 3h written or oral exam (depends on student number): bibliography
analysis
30 h
LW
lh
3
39/55
Unit: Nonlinear Optics of Semiconductor : fundamentals and applications
Main professors: Dr. Ariel LEVENSON
and Dr. Robert KUSELEWICZ
Teaching form:
Objectives : The aim of this lecture is to introduce the potentialities of semiconductor for photonics,
by highlighting their assets namely strong nonlinear responses and their capacity for integration at a
submicronic scale.
Lect
nh
PSS
mh
This lecture describes the 2nd and 3rd order nonlinear optical properties of III-V
semiconductor materials. It derives the new concepts for photonics they carry and
also presents the most popular current and emerging devices for optical processing
of information.
I Introduction; interest of non-linear optics in semiconductors
II. Electronic and optical properties
II.2 Electronic and optical properties of bulk and low dimensional III-V
semiconductors
II.3 Optical properties of 1D and 2D periodic media and microcavities
II.4 Overview of generic technologies for III-V semiconductors
1,5
4,5
1,5
3
III Optical nonlinearities (ONL) in semiconductors
Introduction: intrinsic non-linearities vs. dynamic nonlinearities.
Intrinsic 2nd and 3d order nonlinearities
Dynamical nonlinearities
spatio-temporal effects in ONL systems.
1,5
1,5
1,5
IV Some semiconductor ONL devices
IV.1 Optical sources,
IV.2 Vertical access systems Amplifiers, gates, memories, all-optical
regenerators
IV.3 Guided optics based device
IV.4 Future of semi-conductor devices and research Second-harmonic
generation, quasi-phase matching,
IV.5 Non-linear photonic crystals,
IV.6 Spatial solitons and optical logic.
3
1,5
1,5
1,5
3
3
1,5
Study and presentation of articles by students
3
3
Oral examination
Teachers:
Dr. Ariel LEVENSON and Dr. Robert KUSELEWICZ
Prerequisites: Optics, Physics, ...
Course given in common with: master Erasmus Mundus "Opscitech"
Evaluation: 3h oral exam
36 h
3
40/55
LW
lh
Unit: Nanotubes: production, characterisation, properties and applications
Main professor: Jinbo BAI
Teaching form:
Objectives : The aim of this course is to present a domain of Nanosciences.
Lect
nh
3
24
4. Introduction
5. Unit
PSS
mh
LW
lh
Teachers:
Prerequis ites: Solid-state physics, Chemistry, Mechanics, Process, ...
Course given in common with: master X
or cursus Y
or course integrated as a part of course Z in cursus W
Evaluation: 3h written/oral exam
30 h
3
A nanotube is a nanometer-scale tube-like structure. It may refer to: a) Carbon nanotube; b)
Inorganic nanotube; c) DNA nanotube; d) Membrane nanotube
Carbon nanotubes (CNTs) are allotropes of carbon with a cylindrical nanostructure. These
cylindrical carbon molecules have novel properties that make them potentially useful in many
applications in nanotechnology, electronics, optics and other fields. They exhibit extraordinary strength
and unique electrical properties, and are efficient thermal conductors.
An inorganic nanotube is a cylindrical molecule often composed of metal oxides, and
morphologically similar to a CNT. Inorganic nanotubes are heavier than CNTs and not as strong under
tensile stress, but they are particularly strong under compression.
The DNA nanotubes are similar in size and shape to CNTs, but the CNTs are stronger and better
conductors, whereas the DNA nanotubes are more easily modified and connected to other structures.
Membrane nanotubes or membrane nanotubules or cytonemes are long and thin tubes formed
from the plasma membrane that connect different animal cells over long distances.
This course provides a comprehensive overview on the introduction, production, properties, and
applications of different kinds of nanotubes and nanotube enabled materials. The objectives are to
provide a general understanding of nano materials, historical perspectives, and especially the
development of CNTs; To understand the processing and characterization techniques and properties
of nanotubes; To understand the applications and benefits of materials and structures containing
nanotubes and especially the CNTs
Unit: Biosensors
Main professor: MALCOLM BUCKLE
Teaching form:
41/55
Objectives : The aim of this course is to present the basic principles underlying the growing field of
biosensor technology, to provide a solid background in the physical chemistry, biophysics and
biochemistry needed in this subject and to introduce students to current and emerging technologies.
6. Introduction
1. Basic concepts : selectivity, affinity, sensitivity, reversibility, response time of
biosensors. Drug design, combinatorial chemistry. High throughput sample
analysis.
2. Chemistry of interactions : proteins, peptides, nucleic acids, antibodies,
ligands
3. Conformational rearrangements : prions, proteins and RNA folding. Nucleic
acid recognition by DNA binding proteins
7. Biosensors:
1. Microarrays, Surface Plasmon Resonance, Mass spectrometry, ellipsometry,
Dual polarised interferometry, microcavity resonators.
2. Comparison between various techniques : Detection threshold, dynamic
range, robustness. Perturbative, invasive denaturing techniques. Markers.
8. Physical sciences associated with biosensors
1. Molecular biology applied to the production of antibodies, bio-markers and
recombinant proteins.
2. Bio-robotics and combinatorial chemistry
3. Physical chemistry of optical/biological interfaces: Physisorption and
chemisorption: denaturation, non-specific interactions.
4. Dynamics of surface interactions. Microfluidics, Langmuir binding and more
complicated models, mass transport at a surface.
Lect
nh
3
PSS
mh
0
6
6
9
3
Teachers:
Dr. Buckle LBPA CNRS
Dr Sclavi. LBPA CNRS
Dr Nogues LBPA.
Prerequisites: Biochemistry, molecular biology, physical chemistry, basic chemistry and physics, ...
Course given in common with: master Erasmus Mundus "Monabiphot"
30 h
LW
lh
0
3
UE NanoInter6 Ion Channel recording biochip technology:
Responsable : B. Le Pioufle
Objectives :
Cours
1. DNA chip, concept of successive photoexposures to develop
high throughput chips (4h)
2. Soluble protein chips- electrospray generation in a chip, 2D
electrophoresis on a chip (4h)
42/55
3. Membrane protein biochips (14h)
a. Main systems for ion channel recording, patch clamp,
planar patch clamp, population patch clamp, artificial
lipid bilayers membranes (LBM) : the different ways
available to record the functionnal ion channel inserted
and in the lipid bilayer are recalled and compared
b. Sructure and fabrication of membrane protein chip,
physical properties, sealing, capacitive noise,.- Glass,
silicon or polymer technology
c. Methods to reconstitute LBM, painting method,
Lanmuir-Blodget : how to reconstitute a lipid bilayer
membrane over an aperture opened in a substrate.
Different methods, like Langmuir-Blodgett method, or
simple painting method will be recalled.
d. Membrane Protein insertion in LBM. Liposomes, Giant
liposomes, electroformation... : how to insert the
membrane protein inside the lipid bilayer membrane
previously reconstituted on the chip. Electroformed
giant liposomes is a promising alternative.
e. Recording with patch clamp : tiny current (down to the
pA) have to be mesured when monitoring electrically
the ion-channel. The method will be presented.
f. Optical monitoring (TIRFM, FRET) : method for the
optical monitoring of the membrane protein presence
and activity, inside artificial lipid bilayer membranes.
4. Cell biochips – use of electrocal field or other means to handle,
sort, or treat cells. Dielectrophoresis trapping, optical traps,
fluidic aspects, cell arraying, electroporation on a chip (10h)
5. PRACTICAL – Laboratory (8h)
Enseignants : B. Le Pioufle (PR)
Prérequis :
Contrôle des connaissances : Written examination
___________________________________________________________________________
ECTS : 3
Unit: Nanoscaling of physical properties
Main professor: Brahim Dkhil
Teaching form:
Objectives : The research on new physical properties, always more and more innovative, still unknown
or not yet associated each together, permit the merging of original materials because of a better
control of the matter at a nanoscale level allowing novel nanostructures. The knowledge and the
understanding of physical mechanisms and phenomena involved in these physical properties, at
different scale levels, should not therefore be missed as they are a key step between the fabrication of
the materials and their technological applications. The main objective of this course is to make such
bridge by studying the consequences of size effects on various physical properties as electronic
conduction, ferroelectricity and piezoelectricity, optic or magnetism, with a special attention to the
relationship between the structure (atomic, electronic, magnetic, nanometric, …) and the specific
properties.
By the end, the student will acquire:
- an advanced understanding of basic phenomena involved at the nanoscale in several physical
properties
43/55
- a better knowledge of the consequences due to nanoscaling and nanotructuration
- a mastering of the key parameters allowing the design of novel devices
-a better knowledge of the modern tools for nanoscale characterization and modelling
9. Introduction to nano-objects and nanostructuration through their synthesis
10. Tools for nano characterization : electron and atomic force microscopes
11. Nanomaterials with electronic conduction
12. Nanostructuration for new optical properties
13. Nanomaterials with dielectric and ferrroelectric properties
14. Magnetic and multiferroic nanomaterials
15. Modelling of nanomaterials
Lect
nh
2
PSS
mh
LW
lh
4
3
3
3
3
3
6
Teachers: Brahim Dkhil and Igor Kornev (Prof at ECP)
Prerequisites: basic knowledge in Solid-state physics and materials science
Course given in common with: master X
or cursus Y
or course integrated as a part of course Z in cursus W
Evaluation: short report + oral presentation
30 h
3
Unit: Guided and coupled waves
Main professor: Prof. Jean-Michel JONATHAN
Teaching form:
Objectives : The course provides the physical bases for some major components of optical
communications, such as optical waveguides and fibers, passive or active components. The first
section describes (mostly in the weak guidance approximation) the optical modes propagating in
guiding optical structures and provides notions such as modal dispersion and losses, central to
telecommunications. The second section details the tools for using the electro-optic and acousto-optic
effects in their applications for the modulation and the coupling of free space as well as guided optical
modes.
Lect
nh
PSS
mh
Guided optical waves
1- The optical modes in planar waveguides. The 1D dielectric (step index and
quadratic index)
waveguide and its TE and TM modes. Ray optics and electromagnetic description:
guiding
condition, cut-off frequency, dispersion, confinement, effective refractive index.
2- Optical fibres in the weak guidance approximation. Electromagnetic filed in step
index
cylindrical optical fibre. Weak guidance and scalar propagation equation of the LP
44/55
LW
lh
modes.
Gaussian approximation of the LP01 mode and its application in engineering.
Introduction to
dispersion management, polarization in optical fibres, micro structured optical
fibres.
3- Introduction to optical fibres technology. Materials and their losses, fibres
fabrication,
connections, controls and characterization.
The linear coupling of optical waves
1- The linear and quadratic electro-optic effects. Its application to the modulation of
the
polarization of polarization, phase or amplitude of a guided or free space optical
mode.
2- The acousto-optic effect and its application to the generation of dynamic
refractive index
gratings.
3- The coupled wave theory and its application to the coupling of plane waves
through thick
gratings. The Bragg condition in isotropic and anisotropic media. Applications of
the acoustooptic
effect to the deflection and modulation of optical waves, spectrum analyzer,
voltage
controlled interference filter.
4- The coupling between guided modes. Coupling the modes of two close optical
waveguides:
application to the 3dB optical coupler, wavelength multiplexer, interferometer and
electro-optical
switch. Coupling two modes of an optical waveguide: co-directional and contradirectional
coupling, input and output couplers, Bragg filters in optical fibres.
Teachers:
Pr. Jean-Michel JONATHAN.
Prerequisites: Optics
Course given in common with: master Erasmus Mundus "Optscitech"
30 h
3
Unit: Charge screening and transport in nanostructures
Main professor: Fouad Maroun
Teaching form:
Objectives : Overview of charge screening and transport which are fundamental in physics as well as
in chemistry and biology, and application to few practical problems in each field.
Basics (lectures and problem solving):
Lect
nh
4
PSS
mh
2
45/55
LW
lh




Poisson equation
Debye length
influence of the system dimensionality
case of fermion's gas (in the linear approximation)
Static charge screening (6h, lectures and problem solving):
 Semiconductor surface (space charge, depletion/accumulation)
 Semiconductor/oxide/metal and semiconductor/metal interfaces (band
bending, Fermi level determination)
 Electrode/electrolyte interface (double layer, influence of the electrode
morphology, colloid formation and manipulation)
 Biological interface (DNA denaturation, DNA adhesion on charged surfaces).
4
2
Time dependent charge screening (6h, lectures and problem solving):
 Formalism
 Time dependent correction of the dielectric constant
 Examples: inelastic electron scattering, Raman effect, ion mobility
 Plasmons
 Influence of the system dimensionality

Specific practical problems (12h, lectures and problem solving):
 Electrostatic force and Kelvin probe microscopies
 Electrochemical nanomachining
 Charge transport in metal-semiconductor hybrid devices
 Charge screening in microfluidic devices
4
2
6
2
Teachers:
F. Maroun, A. Rowe, P. Allongue – Physique de la matière Condensée, Ecole Polytechnique
T. Mélin – IEMN, Lille.
Prerequisites:
Course given in common with :
30 h
3
Unit: From molecular optics to nanobiophotonics
Main professor: Joseph ZYSS and Eric CASSAN
Teaching form: lectures (Lect), problem solving sessions (PSS), labworks (LW)
Objectives : This course aims at providing an introduction to nanophotonics from fundamentals rooted
in molecular optics all the way to major applications in life sciences. The course will jointly deal with
material engineering considerations at various scales (from molecules to nano, micro and bulk scales)
with emphasis on nonlinear multiphoton properties, and electromagnetic considerations with emphasis
on nano-scale photonics (photonic crystals, plasmonics, metamaterials). A key objective will be to
show on different examples how to engineer a functional devices, from molecule to material and
46/55
technological steps, such as of interest towards integrated optics, electrooptics, biosensing, biolabelling and bio-imaging functions.
The teaching will be accordingly structured in two parts:
- i) the first nanophotonics part will be addressing basic issues in light-matter interactions in structured
media (such as periodic (at the wavelength scale) allowing to fully control of emission and
propagation properties of light.
-ii) the second part will be focusing on molecular linear and nonlinear optics with emphasis on
molecular and material engineering, all the way to device realization. Ways to engineer materials to
satisfy symmetry conditions demanded by applications will be outlined.
Lect
nh
12
16. I) Nanophotonics
17. - statistical and wave properties of light
18. - confinement of light: waveguiding and photonic crystals
19. - structured media: photonic crystals, dispersive properties, dispersion, photonic
bandgap
20. - plasmonics and metamaterials
21.One practical exercise class (LW) « confinement properties of photons in
photonic crystals »
22.II) Molecular Optics
12
23. - introduction to molecular material: from atoms to bonds and molecules,
polymers, molecular crystals, main optical and spectroscopic properties,
24. - basic notions in molecular NLO; cubic and quadratic properties. Simple
quantum models of light-matter interaction
25. - order in molecular materials: spontaneous and electric field or light induced.
Electric field poling. Kerr orientational effect. All optical,poling
26. - devices: electrooptic modulators, frequency converters, optical limiters, optical
saturation, photorefractive materials
27. - nano-scale molecular optics: fluorescent and nonlinear nano-labels for
bioimaging
PSS
mh
3
LW
lh
3
Teachers: Joseph Zyss, Professor at ENS Cachan (Institut d’Alembert) and Eric Cassan, Professor at
Paris XI (Institut d’Electronique Fondamentale)
Prerequis ites: Optical Physics and electromagnetism (L3 level), basic mathematical physics notions in
classical and quantum mechanics (L3 level).
Evaluation: 3h written exam, practical class, bibliography synthesis
30 h
3
Unit name : Quantum Optics
Main teacher : Chris Westbrook
Lecture + PsS
Aim : The aim of the course is to learn more about the concept of the photon. The quantization of the
electromagnetic field is introduced early on and is used to discuss effects that can not be explained by
47/55
the classical wave theory of electromagnetism. We will begin with some historical ideas and then
analyse modern experiments
Content
28.Blackbody radiation according to Rayleigh, Planck, Einstein and Bose
29. Electromagnetic field quantization
30.States of the field: thermal, coherent, number; Photon statistics.
31. Dipole coupling of atoms to the field; Fermi's golden rule
32. Spontaneous emission in free space and in a cavity
33.Glauber's Theory of photodetection
34.Correlations of the field. Analysis of a beam splitter and an interferometer
35. Coherence and correlations of different states of the field
36. Single photons, photon pairs
37.Interferometry, noise and entanglement
Lect
24 h
2h
3h
2h
3h
2h
4h
3h
3h
2h
PsS
3h
Pract.
1h
1h
1h
Teacher : Chris Westbrook (DR Laboratoire Charles Fabry)
Prerequisite : Basic quantum mechanics: time dependent perturbation theory, interaction of an atom
with a classical field. Some familiarity with the density matrix is helpful
UE taught in common with optique et photonique
Exam : 3 h
ECTS : 3
Unit: Nanophotonics (and photonic chrystals)
Main professor: Henri BENISTY
Teaching form:
Objectives : The aim of this course is to present a domain of Nanosciences.
38. Periodic 1D systems and basics of bandgap
39. Bandgap vs. direction and frequency in 1D
40.Bandgap in 2D, 3D, DOS, gap maps.
41. Practical approaches, point and line defects in photonic crystal
42.Guides, Devices, microcavity LEDs.
43. Photonic crystal fibers, microstructured silica fibers
44.Emitters (quantum dots : self-assembly, synthesis, use)
45.Emitters and confinement : from lasers to ultimate devices, Purcell effect,
spontaneous emission beta factor, extraction efficiency
46. Metals and plasmonics
47. Metamaterials
Lect
24 h
2
2
2
3
1
6
2
2
2
2
1
PSS
3h
2
1
Teachers: Henri BENISTY (Prof IOGS), Dominique PAGNOUX (Limoges XLIM) + 1 or 2 conferences
on general or specific topics
Prerequisites: Basics of Fabry-Perot Resonators and waveguides, Basics of semiconductor physics, of
asers, Basics of interferences
48/55
LW
0h
Course given in common with: master OMP, parcours “Optique et photonique” et “optoélectronique”,
OpSciTech (MEM)
Evaluation: Oral examination based on a study of recent scientific journal papers
30 h (incl 3h exam)
3
Unit: Near field and sub-wavelength microscopies
Main professor: S. Grésillon – Y. De Wilde
Teaching form:
Objectives : This course aims at providing students with a theoretical and experimental knowledge of
near field microscopy techniques, both on a theoretical and experimental point of view, and to
introduce students to current and emerging technologies.





Classical optical microscopy and Scanning electron microscopy. January
04, 2010 (Afternoon) - Yannick De Wilde
Optical microscope : Optical scheme, resolution, aberrations,
Contrast enhancing techniques: Dark field, fluorescence, …
Other techniques: photothermal, 3D AFM-like imaging
Electron microscopy: resolution and depth of field, back-scattered &
secondary electrons, …
48. Introduction to atomic force microscopy. January 11, 2010 (Afternoon) Yannick De Wilde
1. General introduction to scanning probe microscopies (piezoelectric
displacements, etc)
2. AFM basics : cantilever, various types of interactions, scans and control
loop …
3. Operating modes : contact mode, resonant modes
1.
2.
3.
4.
49. Introduction to scanning tunnelling microscopy (STM) January 14, 2010
(Morning) - Yannick De Wilde
Electron tunnelling through a 1D potential barrier
STM principles: tunnelling current, distance dependence, scanning modes
What do we measure ? Local density of states
Applications: Spectroscopy, manipulation of atoms and molecules.
50. Near-field scanning optical microscopy I January 18 (Afternoon), 2010 Samuel Grésillon
1. Optical tunnelling effect
2. Apertureless and aperture NSOMs
3. Applications in imaging : contrast, waveguides, …
51. Near-field scanning optical microscopy II January 21 (Morning), 2010 Samuel Grésillon
1. NSOM imaging of single nano-objects: fluorescent molecules, quantum dots,
fluorescence lifetime.
2. Active fluorescent probes
Lect
nh
3
PSS
mh
0
LW
lh
0
3
0
0
3
0
0
3
0
0
3
0
0
3
0
0
(3)
3
0
0
0
0
3
0
0
49/55
3. Infrared and terahertz NSOM
1.
2.
3.
4.
52. Other microscopy techniques to achieve subwavelength resolution
January 25, 2010 (Afternoon) – Gilles Tessier
Stimulated emission depletion microscopy
Photo-activated localization microscopy
Structured illumination microscopy
Nanoparticle imaging methods based on heterodyne holography

3
0
0
3
0
0
Visit of NSOM installations at Institut LANGEVIN, ESPCI - January 28,
2010 (Morning) - Yannick De Wilde, Gilles Tessier.
53. Surface plasmons and applications February 01, 2010 (Afternoon) –
Samuel Grésillon
1. Plasmons on a flat plane, dispersion relation
2. Localised plasmons
3. Applications
54. Theoretical concepts of near-field optics. February 08, 2010 (Afternoon)
- Rémi Carminati
1. Angular spectrum representation : propagating and evanescent waves
2. Dipole radiation
3. Fluorescence of a single emitter in various environments.

Preparation to the exam : Questions and answers regarding the different
lectures. February 11, 2010 (Morning).
Y. De Wilde and S.
Grésillon

ORAL EXAM : February 15, 2010 afternoon. Yannick De Wilde and
Samuel Grésillon
Teachers:
S. Grésillon
Y. De Wilde
R. Carminati
G. Tessier
Prerequisites: Geometrical and physical optics, signal processing, some solid state physics & quantum
mechanics.
Course given in common with:
Evaluation: Oral exam (Feb. 15, 2010 afternoon)
30 h
3
Unit: Nonlinear Optics of Semiconductor : fundamentals and applications
Main professors: Dr. Ariel LEVENSON
and Dr. Robert KUSELEWICZ
Teaching form:
50/55
Objectives : The aim of this lecture is to introduce the potentialities of semiconductor for photonics,
by highlighting their assets namely strong nonlinear responses and their capacity for integration at a
submicronic scale.
Lect
nh
This lecture describes the 2nd and 3rd order nonlinear optical properties of III-V
semiconductor materials. It derives the new concepts for photonics they carry and
also presents the most popular current and emerging devices for optical processing
of information.
I Introduction; interest of non-linear optics in semiconductors
III. Electronic and optical properties
II.5 Electronic and optical properties of bulk and low dimensional III-V
semiconductors
II.6 Optical properties of 1D and 2D periodic media and microcavities
II.7 Overview of generic technologies for III-V semiconductors
III Optical nonlinearities (ONL) in semiconductors
Introduction: intrinsic non-linearities vs. dynamic nonlinearities.
Intrinsic 2nd and 3d order nonlinearities
Dynamical nonlinearities
spatio-temporal effects in ONL systems.
IV Some semiconductor ONL devices
IV.7Optical sources,
IV.8Vertical access systems Amplifiers, gates, memories, all-optical
regenerators
IV.9Guided optics based device
IV.10 Future of semi-conductor devices and research Second-harmonic
generation, quasi-phase matching,
IV.11 Non-linear photonic crystals,
IV.12 Spatial solitons and optical logic.
PSS
mh
LW
lh
1,5
4,5
1,5
3
1,5
1,5
1,5
3
1,5
1,5
1,5
3
3
1,5
3
3
Study and presentation of articles by students
Oral examination
Teachers:
Dr. Ariel LEVENSON and Dr. Robert KUSELEWICZ
Prerequisites: Optics, Physics, ...
Course given in common with: master Erasmus Mundus "Opscitech"
Evaluation: 3h oral exam
36 h
3
Unit: Semiconductor Physics and Components
Main professor: Gaëlle Lucas-Leclin
Teaching form:
51/55
lectures (Lect), problem solving sessions (PSS)
Objectives : The aim of this course is to provide a basic understanding of semiconductor physics, and
to describe major optoelectronics semiconductor-based components as photodetectors and
semiconductor light sources.
55. Introduction; semiconductor crystal structure and electronic energy bands
56. Electrons and holes in semiconductors
Doping; equilibrium carrier concentrations
57. Carrier action in semiconductors:
Drift and diffusion; p-n junction
58. Semiconductors under nonequilibrium conditions
optical joint density of states, continuity equation, quasi-Fermi levels,
59. Radiative transitions in semiconductor crystals
Absorption, spontaneous and stimulaneous emisson; optical gain
60. Semiconductor photodetectors
61. Semiconductor light sources
62. Paper project
Teachers:
Lect
nh
4 hrs
3 hrs
PSS
mh
4 hrs
2.5
hrs
2h
2h
4h
1h
1h
0.5 h
4h
Elizabet Boer-Duchemin (Assistant Professor) – LPPM, Univ Paris-Sud
Gaëlle Lucas-Leclin (Assistant Professor) – LCFIO, Univ Paris-Sud
Prerequisites: Optics, Laser physics
Course given in common with: Master Erasmus Mundus OpSciTech (1st year) at Institut d'Optique
30 h
3
UE NanoInter15 Nanomagnetism ans spintronics:
Responsable : C. Chappert and A. Barthélémy 27h lecture + 4h TP
Objectives : The purpose of this course is to give fundamental knowledge about magnetism and spin
dependent transport phenomena. This course will also describe the most recent and promising
applications of magnetism and spintronics.
Content:
1 – Basics of magnetism
- Microscopic origin of magnetism (atomic magnetism, itinerant magnetism).
- Paramagnetism, ferromagnetism, ferrimagnetism, spin waves
- Magnetic anisotropy
- Magnetic domains and walls
- Magnetization dynamics: precession, damping, ferromagnetic resonance
2 – Nanomagnetism
- Characteristic length in magnetism
- Interface and confinement effects in magnetic multilayers: interface
4 - Spin dependent transport phenomena
- Giant magnetoresistance
- Magnetic tunnel junction
5 - Spin angular momentum transfer
Cours
52/55
LW
lh
- Basics
- Spin transfer with domain wall
6 - Spintronics and devices
7 - New materials for spintronics (half metals, ferromagnetic oxides, multiferroics)
Practical classes (TP, 3h): several subjects could be available such as Ferromagnetic resonance, Spin
transfer devices, MFM
Enseignants potentiels : A. Barthélémy (PR), C. Chappert (DR), A. Anane, P. Seneor, N. Vernier, P.
Lecoeur
Prerequisites : Basics in quantum mechanics and/or solids physics
Contrôle des connaissances : Written exam on theoretical knowledge and article analysis
_________________________________________________________________________________
_______
ECTS : 3
Unit: Plasma for micro- and nanotechnologies
Main professor: Tiberiu MINEA
Teaching form:
lectures (Lect), problem solving sessions (PSS), labworks (LW
Objectives: The aim of this course is to present the fundamentals and the applications of the plasmas
physics in terms of plasma reactors for plasma processing - one of the most spread technology used
in nowadays microelectronics.
63. Introduction
1° Basic concepts: plasma state, classify, main concepts (plasma density,
plasma temperature, frequency, ionization degree, etc.).
2° Basic equations gouverning the plasmas
64. Fundamentals of partially ionized plasmas
1° Physics of discharges
2° DC (direct current) driven discharges.
3° RF (radio frequency) driven discharges
4° Microwave discharges
5° Plasma reactivity
65. Plasma processing
1° PVD (Plasma Physical Vapor Deposition)
2° PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)
3° Etching plasmas
4° Mixed processing
Lect
nh
4
PSS
mh
2
10
4
8
2
Teachers:
Pr. Tiberiu MINEA – LPGP, Université Paris-Sud 11 (Bat. 210, Campus d’Orsay)
Prerequis ites: Solid-state physics, electrodynamics, atomic and molecular physics, fluid mechanics
Course given in common with:
53/55
LW
lh
30 h
3
Unit: Biophotonics : Theoretical aspects to the use of fluorescence in Biology
Main professor: Eric Deprez
Teaching form:
Objectives : The main goal of this course is to present the theoretical aspects of biophotonics used for
studying supramolecular complexes and cell imaging. During the past 10 years, there has been a
remarkable growth in the use of fluorescence in the biological sciences. Moreover, fluorescence
encompasses a broad spectrum of techniques at the forefront of the Biology-Chemistry-Physics
interface. This course is therefore devoted to teaching new methods in time-resolved fluorescence as
well as applications for studying living cells. It is aimed at students in Biology as well as chemists and
physicists who are interested by applications of fluorescence in Biology.
Course
66. Introduction to fluorescence in Biology. Principles of steady-state and timeresolved measurements. Influence of solvent polarity on emission spectra.
Quenching of fluorescence
67. Intrinsic and extrinsic fluorophores, new photonic probes for Biology
68. Quantum dots and applications in biology
69. Introduction to Nonlinear Optics and lasers in Biological studies
70. Fluorescence anisotropy and applications in studies of interactions between
biological macromolécules
71. Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) and Fluorescence CrossCorrelation Spectroscopy
72. Techniques of fluorescence imaging microscopy and confocal analysis
73. Multiphotonic microscopy and analysis
74. Evanescent wave and TIRF microscopy (Total Internal Reflection Fluorescence)
75.Study of the dynamics of cell compartments :
- Fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM)
- Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP), introduction to singleparticle tracking
76. On the use of fluorescence in genomic studies: DNA technology, sequencing,
quantitative PCR, FISH (Fluorescence In Situ Hybridization)
Instrumentation and analysis of research articles
77. Instrumentation for fluorescence spectroscopy / generalities. Example of a timecorrelated single-photon counting experiment. FCS set-up. Presentation of a
confocal microscope.
78.Analysis of research articles (Confocal imaging, FLIM, FRET, Fluorescence
anisotropy,…)
Lect
nh
PSS
mh
4
2
2
2
4
3
2
2
3
2
2
2
7
11
Teachers: Eric Deprez, Jean-Claude Brochon, Jean-François Mouscadet, Etienne Henry, Patrick Tauc
(LBPA, D’Alembert Institute, ENS-Cachan). Sophie Brasselet (Fresnel Institute, Marseille). Laurence
Salomé (IPBS, Toulouse). Jean-Pierre Henry (University Paris Diderot). Elvire Guiot (University Pierre
et Marie Curie, Paris 6)
Prerequis ites:
Course given in common with: master Erasmus Mundus "Monabiphot"
54/55
LW
lh
Evaluation: Written examination on theoretical aspects of fluorescence / Analysis of research articles
51 h for Erasmus Mundus Monabiphot students. 30 h to be selected in
this set by Master Nanosciences students.
3 for 30h for Master Nanosciences students.
Unit: French language for foreigners
Main professors: Maud Merciecca et Frédérique Chef
Objectives : learning French
Teachers: Maud Merciecca et Frédérique Chef
Prerequis ites: None
Course given in common with: Erasmus Mundus Monabiphot
30 h
3
55/55

Modules obligatoires (30 ECTS) - Site interne Polytech Paris-Sud

Transcription

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