PHS2109 Plan de cours 2007

Patrick Desjardins

Informations

• Publié par: Fiwyug
• Nombre de lectures: 202
• Langue: Français

Extrait

ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL

PHS 2109 - Cristallographie

Département de génie physique

3 crédits (4-1-4), Automne 2007

Plan de cours

Professeur :

Patrick Desjardins ([e-mail])

Bureau : J-5073, téléphone : 340-4711 poste 4305

Site web : desjardins.phys.polymtl.ca

Disponibilité :

Après 16h00 ou sur rendez-vous

Responsables des laboratoires :

Cédrik Coia ([e-mail])

Simon Gaudet ([e-mail])

Jean-Nicolas Beaudry ([e-mail])

Cours préalable :

MTR1000 ou MTR1035 Matériaux

Cours co-requis :

PHS1102 Champs électromagnétiques

Exigences :

Présence en classe : 4 h/semaine

Travaux pratiques : 2 h à chaque deux semaines

Travail personnel : 4 h/semaine

1. Objectif général

Les propriétés des matériaux et, par conséquent, leur performance dépendent principalement de leur

composition chimique, de l’organisation des atomes dans le matériau (i.e. la structure cristalline) et de la

microstructure. Ce cours présente une introduction à la cristallographie géométrique des solides et à la

détermination de l’arrangement atomique dans les matériaux à l’aide de techniques de radiocristallographie.

Le cours vise à :

-

présenter les principes de base de la cristallographie géométrique et des techniques de

radiocristallographie;

-

sensibiliser les étudiants à l’importance de la cristallographie dans l’étude des propriétés et du

comportement des matériaux.

2. Objectifs spécifiques

À la fin du trimestre, l’étudiant devrait être en mesure de :

-

décrire des types de liaisons dans les solides;

-

énoncer les postulats de la cristallographie;

-

tracer la projection stéréographique d’un cristal;

-

identifier les réseaux ponctuels;

-

réaliser des opérations de symétrie sur des réseaux cristallins;

-

dénombrer les groupes ponctuels;

-

reconnaître et décrire les classes, systèmes et réseaux cristallins;

-

utiliser les tables internationales de cristallographie;

-

expliquer le fonctionnement d’une source et d’un détecteur de rayons X;

-

expliquer la diffraction des rayons X par un cristal;

-

décrire les procédures expérimentales pour les techniques du cristal tournant et de Debye-Scherrer;

indexer et utiliser les clichés de diffraction;

-

construire et utiliser le réseau réciproque;

-

décrire les techniques de diffraction utilisant les électrons et les neutrons;

-

identifier les principaux types de défauts cristallins;

-

expliquer le fonctionnement des principales techniques de diffraction par les surfaces.

2

3. Documentation

Le cours est principalement basé sur l’ouvrage suivant :

Jean-Jacques Rousseau, Cristallographie géométrique et radiocristallographie, 2

e

édition, Masson,

Paris (2000).

Des notes complémentaires sont disponibles sur le site web du cours. Une liste d’ouvrages de référence est

donnée à la section 7 de ce plan de cours.

4. Évaluation

4.1 Nature de l’évaluation et pondération

1 contrôle périodique

25%

5 devoirs

10%

5 rapports de travaux pratiques

20%

1 examen final

45%

Le contrôle périodique portera sur les thèmes “liaisons chimiques” et “cristallographie géométrique” (voir

section 6) alors que l’examen final couvrira toute la matière du cours avec une emphase particulière sur les

deux derniers thèmes (“radiocristallographie” et “applications et sujets avancés”). Le manuel du cours ainsi

que les notes personnelles seront autorisés pour ces évaluations. Les devoirs seront à remettre deux semaines

après la distribution de l’énoncé. L’évaluation portera sur la démarche suivie ainsi que sur l’exactitude des

réponses. Les directives pour les travaux pratiques sont présentées à la section 5.

4.2 Absences

Toute absence à un travail pratique ou à un contrôle doit être motivée au Bureau des dossiers étudiants dans

les trois jours ouvrables qui suivent la fin de la période d’incapacité (voir l’article 7.8 des Règlements des

études de premier cycle pour plus de détails). En cas d’absence motivée au contrôle périodique, l’examen

final comptera pour 70% de la cote globale. Un examen différé sera offert dans le cas d’une absence à

l’examen final.

4.3 Fraude

Tout acte de fraude (plagiat, tricherie, etc.) et toute irrégularité rapportée durant les examens sont soumis aux

sanctions prévues dans les règlements de l’École. La fraude, la participation à la fraude, la tentative de fraude

entraînent l’attribution de la note F dans tous les cours suivis par l’étudiant durant la session. De plus, l’École

est libre d’imposer tout autre sanction jugée opportune, y compris l’exclusion (voir l’article 8 des Règlements

des études de premier cycle pour plus de précisions).

5. Travaux pratiques

Les travaux pratiques font partie intégrante du cours et permettent aux étudiants d’appliquer les notions

théoriques vues en classe. Ils portent sur les sujets suivants :

-

analyse de structures cristallines à l’aide d’un logiciel de visualisation et de simulation;

-

projection stéréographique;

-

analyse du diagramme de Debye-Scherrer pour une substance cubique;

-

identification d’une substance inconnue par diffraction de rayons X;

-

diffraction de rayons X à haute résolution de couches épitaxiales.

Directives et évaluation :

Les travaux pratiques sont réalisés en équipes de deux étudiants. Un procédurier mis à la disposition des

étudiants précise les exigences pour les rapports de laboratoires. Chaque rapport est évalué pour son contenu

scientifique (i.e. l’atteinte des objectifs), sa structure et sa forme.

3

6. Plan détaillé du cours (50 heures de cours)

Thème

Bloc

(durée)

Sujet

Références

et lectures

INTRODUCTION

ET LIAISONS

CHIMIQUES

1

(1 h)

Introduction générale

Notes du professeur

2

(4 h)

Liaisons chimiques dans les solides

Liaison ionique

Liaison covalente

Liaison métallique

Liaisons secondaires

Notes du professeur

CRISTALLOGRAPHIE GÉOMÉTRIQUE

3

(2 h)

Postulats de la cristallographie

Loi de constance des angles

Loi des indices rationnels

Postulats de la cristallographie

Réseau, motif et structure

Symétrie d’orientation et de position

Rousseau, chap. 1

4

(2 h)

Réseaux ponctuels

Réseaux direct et réciproque

Indices de Miller

Changements de repères

Calculs sur les réseaux

Rousseau, chap. 2

5

(4 h)

Projection stéréographique

Transformation stéréographique d’un point

Pôle d’une face

Projection stéréographique d’un pôle

Canevas de Wulff

Goniométrie

Rousseau, chap. 3

6

(4 h)

Opérations de symétrie dans les réseaux cristallins

Définitions et notation matricielle

Axes de symétrie

Opérations et éléments de symétrie

Rousseau, chap. 4

7

(3 h)

Dénombrements des groupes ponctuels

Rousseau, chap. 5

8

(4 h)

Classes, systèmes et réseaux cristallins

Classes et systèmes cristallins

Classes de Laue

Réseaux de Bravais

Réseaux réciproques des réseaux de Bravais

Relations métriques dans les réseaux

Filiations entre les classes

Rousseau, chap. 6

9

(1,5 h)

Notions sur les groupes d’espace

Rousseau, chap. 7

Notes du professeur

10

(1,5 h)

Utilisation des tables internationales de cristallographie

Rousseau, chap. 8

4

RADIOCRISTALLOGRAPHIE

11

(2 h)

Production et détection des rayons X

Production de rayons X

Absorption de rayons X

Détection de rayons X

Rousseau, chap. 9

12

(4 h)

Diffraction de rayons X

Rappels sur la diffraction

Diffusion des rayons X par la matière

Diffraction par un réseau périodique tridimensionnel

Intensité des rayons diffractés

Rousseau, chap. 10

13

(7 h)

Techniques de radiocristallographie

Diagrammes de Laue

Méthode du cristal tournant

Diffraction des poudres

Diffraction à haute résolution

Rousseau, chap. 11,

12, 13

Notes du professeur

14

(3 h)

Diffraction des électrons et des neutrons

Rousseau, chap. 14

Notes du professeur

15

(2 h)

Principes de la détermination des structures

Rousseau, chap. 15

Notes du professeur

APPLICATIONS ET

SUJETS AVANCÉS

16

(3 h)

Défauts cristallins

Défauts ponctuels

Défauts linéaires

Défauts plans

Notes du professeur

17

(2 h)

Survol des techniques de diffraction pour l’analyse des surfaces

Diffraction des rayons X

Diffraction des électrons lents

Diffraction des électrons de haute énergie

Notes du professeur

7. Références

7.1 Ouvrages généraux

J.M. Cowley,

Diffraction physics

, North Holland, Amsterdam (1990).

R.A. Flinn et P.K. Trojan,

Engineering materials and their applications

, Houghton Mifflin

Company, Boston (1990).

H. Ibach et H. Lüth,

Solid-state physics

, Springer, Berlin (1996).

C. Kittel,

Introduction to solid-state physics

, John Wiley and Sons, New York (1996).

7.2 Cristallographie

C. Hammond,

Introduction to crystallography

, Oxford University Press, New York (1990).

J.F. Nye,

Propriétés physiques des cristaux

, Dunod, Paris (1961).

Y. Sirotine et M. Chaskolskaïa,

Fondements de la physique des cristaux

, Editions MIR, Moscou

(1984).

7.3 Diffraction des rayons X

L.V. Azaroff et M.J. Buerger,

The powder method in x-ray cristallography

, McGraw Hill, New York

(1958).

B.D Cullity,

Elements of X-ray diffraction

, Addison-Wesley, Reading (1978).

5

P.F. Fewster, “X-ray analysis of thin films and multilayers”, Rep. Prog. Physics

59

, 1339-1407

(1996).

J.I. Langford et D. Louër, “Powder diffraction”, Rep. Prog. Phys.

59

, 131-224 (1996)

7.4 Diffraction des électrons

J.M. Cowley (Editeur),

Electron diffraction techniques

, Oxford University Press, New York (1992).

P. Hirsch, A. Howie, R. Nicholson, D.W. Pashley et M.J. Whelan,

Electron microscopy of thin

crystals

, Krieger Publishing Company, Malabar (1977).

J.C.H. Spence,

Electron microdiffraction

, Plenum Press, New York (1992).

7.5. Techniques de diffraction pour l’analyse des surfaces

D. Farias et K.-H. Rieder, K.-H, “Atomic beam diffraction from solid surfaces”, Rep. Prog. Phys. 61,

1575-1664 (1998).

D.J. O’Connor, B.A. Sexton et R.St.C. Smart,

Surface analysis methods in materials science

,

Springer, Berlin (1992).

I.K. Robinson et D.J. Tweet, “Surface X-ray diffraction”, Rep. Prog. Phys. 599-651 (1992).

Z. L. Wang, “Electron reflection, diffraction and imaging of bulk crystal surfaces in TEM and

STEM”, Rep. Prog. Phys.

56

, 997-1065 (1993).

D.P. Woodruff et T.A. Delchar,

Modern techniques of surface science

, Cambridge University Press,

Cambridge (1986).

7.6 Défauts cristallins

W. Bollmann,

Crystal defects and crystalline interfaces

, Springer, New York (1970).

J. Weertman et J.R. Weertman,

Elementary dislocation theory

, Oxford University Press, New York

(1992).