Physical nanoscale analysis of heat transfer in defective nanowires

par Shiyun Xiong

Thèse de doctorat en Physique et sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Sebastian Volz.

Le président du jury était Bernard Perrin.

Le jury était composé de Sebastian Volz, Davide Donadio, Yuriy Kosevich, Karl Joulain, Pietro Cortona.

Les rapporteurs étaient Davide Donadio, Yuriy Kosevich.

  • Titre traduit

    Analyse physique à l’échelle nanométrique du transfert de chaleur dans des nanofils défectueux


  • Résumé

    Cette thèse se concentre sur l'étude de l'impact de divers défauts de réseau, c'est-à-dire de dislocations, de parois entre phases inversées, de décalages de mailles et de gaps, sur la conductivité thermique de nano-fils par simulation de dynamique moléculaire et les calculs de fonctions de Green atomiques. Tout d'abord, nous calculons la conductivité thermique de nano-fils de silicium orientés <110> incluant une dislocation spirale par la dynamique moléculaire de non-équilibre. Nous constatons qu'avec l'inclusion d'une dislocation, le taux de diffusion phonon-phonon est amélioré de façon significative en raison de l'existence du champ de déformation induit. Ce processus de diffusion anharmonique augmente avec le vecteur de Burger. Par conséquent, la conductivité thermique de nano-fils disloqués est largement réduite et le pourcentage de réduction est proportionnel à la grandeur du vecteur de Burger. Deuxièmement, le concept de nano-fils de super-réseau anti-phase est proposé et leur conductivité thermique est étudiée avec la dynamique moléculaire d'équilibre. On constate que la frontière anti-phase peut diffuser fortement les phonons et réduire la vitesse de groupe des phonons. Le jeu entre le transport cohérent de phonons et la diffusion de surface conduit à une conductivité thermique minimale à une période de longueur spécifique. La combinaison de la diffusion des phonons à l'interface et la diffusion de surface des nanofils réduit la conductivité thermique de SiC de deux ordres de grandeur, ce qui est d'un grand intérêt pour les applications en thermoélectricité. Troisièmement, nous démontrons que le transport des phonons peut être entravé en grande partie dans un nano-fil de Si avec une structure en zig-zag périodique. Une conductivité thermique plus faible est observée du fait d'un pur effet géométrique, qui produit une disparition complète des directions principales de polarisation de phonon à une période de longueur spécifique. La conductivité thermique minimale et la longueur de période correspondante sont dépendantes du diamètre. L'avantage de cette structure est qu'elle supprime en grande partie le transport thermique sans détériorer le transport d'électrons. Enfin, la transition entre la conduction de la chaleur et le rayonnement de champ proche dans un système de chaîne de clusters de SiO2 est étudiée avec la méthode des fonctions de Green. Trois régions de variation de la conductance dans ce domaine de largeur de gap sont identifiées, plus particulièrement, la région liée à la conduction où les électrons des deux corps sont mis en commun au milieu du gap, la région de champ proche prédominée par des interactions de charges de surface, et la région de champ proche prédominée par des interactions dipôle-dipôle de volume. Cette étude fournit finalement une description de la transition entre le rayonnement et la conduction de la chaleur dans les gaps de dimensions inférieures à quelques nanomètres.


  • Résumé

    This thesis is focused on the investigation of the impact of various lattice defects, i.e., screw dislocations, anti-phase boundaries, twinning boundaries, and vacuum gaps, on the thermal conductivity of nanowires by molecular dynamic simulations and Green's function calculations. We firstly calculated the thermal conductivity of <110> Si nanowires with a screw dislocation in the center through non-equilibrium molecular dynamics.We find that with the inclusion of a dislocation, the phonon-phonon scattering rate is enhanced dramatically due to the dislocation-induced strain field. This anharmonic scattering process increases with the Burger's vector. As a result, the thermal conductivity of dislocated nanowires is largely reduced and the reduction percentage is proportional to the magnitude of Burger's vector. Secondly, the concept of anti-phase superlattice nanowire is proposed and its thermal conductivity is investigated with equilibrium molecular dynamics. It is found that the anti-phase boundary can strongly scatter phonons and reduce the phonon group velocity. The interplay between phonon coherent transport and boundary scattering results in a minimum thermal conductivity at a specific period length. The combination of anti-phase boundary scattering and nanowire surface scattering reduces the thermal conductivity of SiC by two orders of magnitude, which is of great interest for potential thermoelectric applications. Thirdly, we demonstrate that phonon transport can be hindered to a large extent in a Si nanowire with periodically distributed twinning boundaries. A minimum thermal conductivity is observed due to a pure geometrical effect, which produces a thorough disappearance of favored phonon polarization directions at a specific period length. The minimum thermal conductivity and the corresponding period length are diameter dependent. The advantage of this structure is that it largely suppresses the thermal transport without deteriorating the electron transport. Finally, the transition from heat conduction to near field radiation in a SiO2 cluster chain system is investigated with the phonon Green's function. Three conductance variation regions within the studied distances are identified, more specifically, the heat conduction region with shared electrons in the middle of a gap, the near field region predominated by surface charge interactions, and the near field region predominated by volume dipole-dipole interactions. This study finally provides a description of the transition between radiation and heat conduction in gaps smaller than a few nanometers.


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