Transfert de chaleur à échelles de temps et d'espace ultra-courtes : simulation numérique pour des nanofils et nanofilms de semiconducteur

Ultra-short time and space scale heat transfer, numerical simulations of nanowires and nanofilms semiconductors

• Auteur / Autrice : Damian Terris
• Direction : Karl Joulain, Denis Lemonnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie, thermique, combustion
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Poitiers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie du transport

Nanostructures

Transfert de chaleur

Semiconducteurs

Phonons

Résumé

Le développement des nouvelles technologies entraîne une réduction considérable de la taille des systèmes des composants. Afin de prédire leur comportement, il est nécessaire de connaître leurs propriétés physiques. Dans ce contexte, ce travail s’attache à approfondir les connaissances des propriétés thermiques des semiconducteurs en effectuant des simulations numériques des transferts de chaleur dans des nanostructures. Les transferts de chaleur sont analysés grâce à l’équation de Boltzmann en utilisant la méthode des ordonnées discrètes. Le comportement spectral des porteurs de chaleur, caractérisés par les phonons, est pris en compte à travers leurs vitesses de déplacement et leurs temps de relaxation. Des résultats sont exploités en régime stationnaire afin d’établir les propriétés thermiques des composants. Il a été montré que la loi de Fourier décrit correctement les transferts de chaleur dans les nanofils. En revanche, pour que cette loi soit valable dans les films à température ambiante l’épaisseur de ces structures doit être supérieure au micromètre. Pour des plus petites épaisseurs, les transferts de chaleur par conduction présente une forte composante balistique et ont un comportement analogue à celui du rayonnement en milieu faiblement absorbant. Enfin, la prise en compte de la dépendance spectrale a permis des études en régime instationnaire. Il est, ainsi, montré l’évolution thermique dans les nanostructures aux échelles ultracourtes. On observe que la propagation de la chaleur par conduction dans les systèmes balistiques présente deux vagues, conséquence de la différence entre les vitesses propres aux polarisations des phonons.

Since high technology progress decreases system dimensions, it is necessarily to understand their physical properties. Therefore, this work contributes in the thermal property knowledge. Numerical simulations are then done to predict heat transfer. To achieve this request, Boltzmann transfer equation is solved, using the discrete ordinate method. Since nanowires and nanofilms are frequently found in microelectronics, their geometries are studied. Furthermore, heat carrier spectral dependence is taken into account trough their velocities and relaxation times. In a first hand, steady state results are used to define thermal properties. It is shown that, in nanowires, diffusive regime is always observed whereas, in films, Fourier’s law can only be used for thickness greater than 1 m, at ambient temperature. For lower temperatures or thicknesses, heat transfers are governed by ballistic phenomena. Finally, taken into account spectral dependences allow us to predict heat transfer at small time scales. It is then viewed that conduction heat transfers in ballistic regime have two temperature waves due to phonon polarizations