Simulation directe par dynamique moléculaire des couplages piézoélectrique et piézothermique dans les cristaux

Direct molecular dynamics simulation of piezoelectric and piezothermal couplings in crystals

• Auteur / Autrice : Wassim Kassem
• Direction : Sebastian Volz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 14/09/2015
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Perrin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sebastian Volz, Bernard Perrin, Michel Kazan, Samy Merabia, Brahim Dkhil, Yann Chalopin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Kazan, Samy Merabia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Superréseaux

Cristaux -- Propriétés électriques

Matériaux piézoélectriques

Mots clés libres

Simulations de dynamique moléculaire

Piézoélectricité

Conductivité thermique

Conductance thermique

Super-réseau

Silice/graphène

Molecular dynamics simulations

Piezoelectricity

Thermal conductivity

Thermal conductance

Superlattice

Silica/graphene

Résumé

La thèse est axée sur l'examen de l'effet de la contrainte sur la conductivité thermique des matériaux piézoélectriques. Les matériaux piézoélectriques sont des cristaux qui présentent une déformation mécanique lors de l'application d'un champ électrique. Des exemples de tels systèmes sont ZnO, AlN, et SiO2. En utilisant des simulations de dynamique moléculaire, nous avons calculé la conductivité thermique de cristaux de ZnO et AlN sous contrainte. Nous avons aussi calculé la résistance thermique des interfaces SiO/C et ZnO/C soumis à un champ électrique.Nous commençons par le calcul des propriétés piézoélectriques et élastiques de ZnO. Celles-ci serviront à valider les potentiels interatomiques utilisés, et à montrer l'ampleur de la contrainte qu’il est possible d'appliquer. En utilisant la dynamique moléculaire d'équilibre, nous avons estimé le coefficient élastique c33 de ZnO, qui se trouve être en accord avec les valeurs expérimentales. Il a aussi été déterminé que la limite élastique d'un cristal de ZnO est de 6 GPa, ce qui correspond à une déformation de 6%. Nous avons ensuite établi les coefficients piézoélectriques de ZnO en utilisant la dynamique moléculaire de non-équilibre, et il a été constaté que les coefficients piézoélectriques dij sont en accord avec les valeurs de la littérature.Deuxièmement, nous avons examiné l'effet de la pression sur la conductivité thermique intrinsèque de ZnO et d’AlN. La dynamique moléculaire de non-équilibre inverse a été mise en œuvre pour calculer la conductivité parce que les coûts de calcul sont nettement inférieurs à ceux de la méthode d'équilibre, d’autant plus pour ZnO dont le potentiel inter-atomique contient les interactions Coulombiennes. L'effet de taille sur la conductivité thermique de ZnO et AlN a ensuite été étudié. Nous avons montré que la formule de Schelling peut en effet être mise en œuvre pour les deux cristaux pour différentes valeurs de la contrainte. La conductivité thermique pour un cristal de ZnO de taille infinie est extraite de la formule de Schelling, et elle se révèle être de 410 W/mK. La conductivité thermique de cristaux de ZnO sous contrainte a ensuite été analysée. Nous avons montré que, après correction de l'effet de taille, la conductivité thermique suit une dépendance en loi de puissance à la contrainte uniaxiale. De plus, la conductivité thermique de ZnO est affectée par un champ statique externe en raison de la contrainte induite. La conductivité thermique d'AlN est estimée à 3000 W/mK, l'effet de la contrainte ne modifie pas cette valeur du fait du potentiel inter-atomique utlisé. Par conséquent, AlN n’est pas un matériau pertinent pour faire office de switch thermique.Troisièmement, nous avons exploré l'effet d’un déplacement piézoélectrique sur la conductance thermique d’interface de Si2O/graphène et ZnO/graphène. Utilisant la dynamique moléculaire d’équilibre, la conductivité thermique d'un super-réseau dont la période est composée de silice et de graphène polyfeuillet. Le super-réseau a été évalué pour différentes valeurs du champ électrique externe. Nous avons constaté que l'application d'un champ électrique de 20 MV/m positif parallèle à la direction hors-plan du super-réseau conduit à la réduction de la conductivité thermique d'un facteur deux. D'autre part, aucun changement dans la conductance thermique n’est noté pour le super-réseau ZnO/graphène. Cette différence est due aux différences de déformations induites au niveau des interfaces dans le super-réseau. L'effet est recréé dans un super-réseau Si/Ge en appliquant une déformation pour former les interfaces. Cette approche crée une déformation non uniforme qui est susceptible de diffuser les phonons.

The thesis is focused on investigating the effect of strain on the thermal conductivity of piezoelectric materials. Piezoelectric materials are crystals which display a mechanical deformation upon application of an electric field. Examples of such material are ZnO, AlN, and SiO2. Using Molecular Dynamics simulations, we calculate the thermal conductivity of unstrained and strained ZnO and AlN crystals. We also calculate the thermal resistance of SiO/graphene interfaces under strain.We calculate the piezoelectric and elastic properties of ZnO. These will serve as confirmation of the correctness of the inter-atomic potential used, and will serve to show the magnitude of strain that is possible to apply. Using non-equilibrium molecular dynamics, we determine the elastic coefficient of ZnO c33, and we see that it agrees with experimental values. We also determine that the elastic limit of a perfect ZnO crystal is 6 GPa which corresponds to a 6% strain. We also determine the piezoelectric coefficient of ZnO using NEMD, and we find that the piezoelectric coefficient d33 also agrees with literature values.Second, we look at the effect of strain on the intrinsic thermal conductivity of ZnO and AlN. We use reverse non-equilibrium molecular dynamics to calculate the conductivity because the computational costs are significantly lower than those for the equilibrium method; especially for ZnO whose inter-atomic potential contains Coulomb interaction. We also study the size-effect on the thermal conductivity of ZnO and AlN. We show that the Schelling formula can indeed be implemented to both crystals for different values of strain. The infinite length thermal conductivity for ZnO is extracted from the formula, and it is found to be 410 W/mK. We then calculate the thermal conductivity of strained ZnO crystals. We show that after correcting for the size effect the thermal conductivity follows power-law dependence to uniaxial strain. Also, we demonstrate that the thermal conductivity of ZnO can be affected by a static external field due to the induced strain. The infinite length thermal conductivity of AlN is found to be 3000 W/mK. We show that for the case of AlN the effect of strain does not affect the thermal conductivity due to the different inter-atomic bonding. Hence, AlN might not be a useful material for piezothermal application.Third, we explore the effect of piezoelectric strain on the thermal conductance of SiO2/graphene and ZnO/graphene superlattices. Using EMD we calculate the thermal conductivity of a superlattice composed of silica and graphene monolayers. The thermal conductance of the superlattice was evaluated under different values of external electric field. We find that applying a positive electric field parallel to the Z-direction leads to reduction of the thermal conductance by a factor of 2 for an electric field of 20 MV/m. On the other hand, no change in the thermal conductance is noted for ZnO/graphene superlattice. The effect is due to the non-uniform strain induced at the superlattice junctions. The effect is recreated in Si/Ge superlattice by mechanically applying a non-uniform strain at the interface. This approach might be responsible for the scattering of phonons.