Transport de chaleur femtoseconde aux nano échelles dans des matériaux non Fourier

par Ahmad Zenji

Projet de thèse en Lasers, Matière et Nanosciences

Sous la direction de Stefan Dilhaire et de Stéphane Grauby.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de lu2019ingénieur , en partenariat avec Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine (laboratoire) et de Photonique et matériaux (equipe de recherche) depuis le 04-09-2019 .


  • Résumé

    Les objectifs principaux de la thèse sont d'explorer et de développer une nouvelle instrumentation pour sonder le transfert d'énergie ultra-rapide dans des semi-conducteurs nano structurés. Ce transfert d'énergie ultra-rapide est connu sous le nom de régime balistique-diffusif et peut être décrit par le cadre de la théorie de Lévy Walks (c'est-à-dire le régime super diffusif). Au cours de la dernière décennie, des techniques expérimentales consacrées à la caractérisation de «nano» matériaux ont rapidement été améliorées. Par exemple, la thermoréflectance dans le domaine temporel (TDTR) et la microscopie thermique à balayage (SThM) sont maintenant des techniques bien établies pour sonder le transport d'énergie dans des matériaux nanostructurés. Pourtant, si ces approches permettent respectivement une résolution temporelle ou spatiale spectaculaire du transfert de chaleur aux nano-échelles, elles peuvent difficilement décrire le régime balistique-diffusif existant lorsque l'échelle de longueur et les porteurs d'énergie signifient un chemin libre similaire. Ce dernier comportement est théoriquement attendu dans différents semi-conducteurs. Elle représente un problème de longue date dans le transport thermique à l'échelle nanométrique pour plusieurs applications d'ingénierie telles que la gestion de la chaleur, les points chauds thermiques, les résistances thermiques aux limites thermiques, etc. Dans ce cadre, la thèse a pour objectif de concevoir une nouvelle instrumentation permettant de sonder le transport de phonons super diffus matériaux appelés Capteur de super diffusion Phonon spectral (SPSS). Cette tâche ardue devra aborder plusieurs problèmes scientifiques, notamment dans le développement et le calibrage du SPSS. Parmi eux, il y a la manipulation d'un dispositif TDM hétérodyne pour fonctionner à des fréquences allant jusqu'à 10 THz, où la propagation des ondes thermiques domine, en maintenant un faible rapport signal sur bruit. Un autre point critique est d'étudier les matériaux artificiels de Lévy mélangeant alliage et nano-inclusions qui seront responsables du comportement super-diffusif dans le respect des voies de modélisation. Les problèmes de modélisation sont également des goulots d'étranglement pour la réalisation du projet, car la simulation du transport de chaleur à l'échelle nanométrique implique souvent l'utilisation de ressources de calcul volumineuses et repose sur une physique mal comprise pour certains matériaux et alliages cristallins. Ces derniers points sont pris en compte dans le présent projet et des chemins alternatifs sont envisagés pour surmonter ces problèmes. En plus du développement d'un nouveau dispositif de caractérisation et de modèles pour la caractérisation des propriétés thermiques des matériaux à l'échelle nanométrique, la thèse visera à approfondir les recherches sur les nanomatériaux innovants utiles à plusieurs technologies telles que l'électronique, l'énergie, les capteurs, etc. améliorer le refroidissement des dispositifs électroniques, des matériaux thermoélectriques à haute valeur ajoutée, la mise au point de matériaux de commutation magnétique ultra-rapides, etc.

  • Titre traduit

    Femtosecond heat transport at nano scales in non-Fourier materials


  • Résumé

    The main goals of the thesis are to explore and develop a new instrumentation to probe ultra-fast energy transfer in nano structured semiconductors. This ultrafast energy transfer is known as ballistic-diffusive regime, and can be described by the frame of Lévy Walks theory (i.e. super-diffusive regime). Over the past decade, rapid improvement of experimental techniques devoted to “nano” materials characterization has arisen. For instance, Time-Domain Thermoreflectance (TDTR) and Scanning Thermal Microscopy (SThM) are now well-established techniques to probe energy transport in nano-structured materials. Yet, if those approaches respectively allow spectacular temporal or spatial resolution of heat transfer at nano-scales, they can scarcely describe the ballistic-diffusive regime that exists when length scale and energy carriers mean free path are similar. The latter behaviour is theoretically expected in different semiconductors. It represents a longstanding problem in nanoscale thermal transport for several engineering applications such as heat management, thermal hot spots, thermal boundary resistances, etc. In this framework, the thesis intent to design a new instrumentation to probe super-diffusive phonon transport in nano-materials called Spectral Phonon Super-diffusion Sensor (SPSS). This challenging task shall tackle several scientific issues, especially in the development and the calibration of the SPSS. Among them, there is the handling of a TDTR heterodyne device to work at frequencies up to 10 THz, where thermal wave propagation dominates, keeping low signal to noise ratio. Another critical point is to study artificial Lévy materials mixing alloy and nano- inclusions which will be responsible of super-diffusive behaviour with respect of the modelling pathways. Modelling issues are also possible bottlenecks to the achievement of the project as nanoscale heat transport simulation often imply to use large computational resources and lies on physics which is not fully understood for some crystalline materials and alloys. The latter points are considered in the present project and alternative paths are considered to overcome such issues. In addition to the development of a new characterization device and models for nanoscale material thermal properties characterization, the thesis will aim to deeply investigate innovative nano-materials that will be useful for several technologies like electronics, energy, sensors, etc. Examples of that could be improved cooling of electronic devices, thermoelectric materials with high figure of merit, development of ultrafast magnetic switching materials, etc.