Microscopie thermique à sonde locale : vers une analyse thermique des nanomatériaux

par Patricia Al alam

Thèse de doctorat en SI - Sciences de l’Ingénieur

Sous la direction de Nathalie Trannoy.

Le président du jury était Jonathan Mark Ralph Weaver.

Le jury était composé de Nathalie Trannoy, Séverine Gomès, Petr Klapetek, Jaona Harifidy Randrianalisoa.

Les rapporteurs étaient Francesc Alzina.


  • Résumé

    La microscopie thermique est un outil prometteur permettant d’étudier les mesures thermiques de matériaux et les mécanismes de transfert de chaleur aux micro/nanoéchelles. La réponse thermique de la sonde a été étudiée en utilisant deux sondes résistives : Wollaston et Palladium. Un modèle en 3D réaliste a été développé pour la sonde Wollaston et l’échantillon avec leur milieu environnant. La simulation de la sonde prend en compte son support et considère que le milieu environnant est convectif. La réponse de la sonde a été évaluée lors de l'approche vers un échantillon de cuivre. La comparaison avec les résultats expérimentaux montre que la prise en compte de la convection naturelle pour le milieu environnant est une hypothèse valide. Nous présentons ensuite une méthodologie pour étudier le signal thermique de la sonde en contact avec un échantillon nanostructuré. Pour cela, nous avons utilisé un échantillon composé de marches de silicium sous une couche de SiO2. SThM s'avère être un outil puissant pour effectuer l'imagerie sub-surfacique. Nous avons montré que le signal thermique obtenu par la sonde est influencé par la présence de structures internes et correspond à un volume sondé qui tient en compte les propriétés thermiques des matériaux. Avec notre modèle, nous avons pu reconstruire le profil expérimental obtenu par SThM. Pour la sonde en Palladium, la réponse de la sonde a été étudiée expérimentalement sous conditions ambiantes en mode alternatif. L'analyse des résultats a mis en évidence la présence d’un phénomène interpréter comme une résonance d'onde thermique qui prend place au micro/nanoéchelle. Ce phénomène est lié à la longueur de diffusion thermique du milieu environnant (air) et indépendant des propriétés thermiques de l'échantillon.

  • Titre traduit

    Thermal Probe Microscopy : Toward a thermal analysis of nanomaterials


  • Résumé

    Scanning thermal microscopy is a promising tool to investigate material’s thermal measurements and heat transfer mechanisms at the micro/nanoscale. The probe thermal response was explored using two different resistive probes: Wollaston and Palladium probes. A 3D realistic model was developed for the Wollaston probe-sample system with their surrounding medium. The simulation of probe takes into account its holder and considers that the surrounding medium between the probe and the sample is convective. The probe’s response was evaluated during the approach toward a sample of copper. The comparison with experimental results showed that considering natural air convection for the surrounding medium is a valid assumption. We then present a methodology to characterize the thermal signal of probe in contact with a nanostructured sample. For that, we used a sample composed of buried silicon steps under SiO2. SThM proves to be a powerful tool to perform subsurface imaging. We showed that the thermal signal obtained by the probe is influenced by the presence of internal structures and corresponds to a scanned volume which takes into account material’s thermal properties. With our modelling, we was able to rebuild the experimental profile obtained by SThM. For the Palladium probe, the probe’s response was studied experimentally under ambient conditions in the AC mode for different frequencies. The analysis of the results pointed on a phenomenon which can be described as a thermal wave resonance which takes place at micro/nanoscale. This phenomenon was shown to be related to the thermal diffusion length of the surrounding medium (air) and independent of the sample thermal properties.


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