Contribution à la microscopie thermique à sonde locale en mode alternatif : Caractérisation de la réponse et de l’interaction sonde échantillon

Contribution to Scanning Thermal Microscope in alternative mode: Characterization of the probe response and the tip-sample interaction

• Auteur / Autrice : Olivier Raphaël
• Direction : Philippe Grossel, Nathalie Trannoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Reims

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie à sonde à balayage

Matériaux -- Propriétés thermiques

Mots clés libres

Microscopie thermique à champ proche, Mode alternatif, Sonde thermique, Wollaston, Couplage électrothermique, Résistance thermique, Eléments finis

Résumé

La microscopie thermique à sonde locale permet l’étude des champs de température et des propriétés thermiques des matériaux aux échelles micro et nanométrique. Les performances de cet instrument dépendent essentiellement du type de sonde thermique utilisé. Notre microscope emploie une sonde thermo-résistive fabriquée à partir d’un fil de Wollaston de 75 µm de diamètre contenant une âme en platine-rhodium (90% - 10%) de 5 µm de diamètre. Traditionnellement cette sonde est alimentée par un courant électrique continu. Ces travaux de thèse reposent sur la mise en œuvre du mode de fonctionnement à courant alternatif. Un dispositif électronique est spécialement développé pour ce mode de fonctionnement et permet une modélisation précise de la mesure. Deux modélisations distinctes sont présentées : l’une est unidimensionnelle (approche analytique), l’autre est tridimensionnelle (méthode des éléments finis). Elles permettent la caractérisation des propriétés thermo-physiques et géométriques de la sonde remettant en cause les valeurs usuelles, et l’étude des interactions de la sonde avec divers milieux environnants. Les études expérimentales et théoriques de la réponse de la sonde en fonction de la distance la séparant de l’échantillon aboutissent, entre autre, à la mise en évidence d’un phénomène d’interférences d’ondes de diffusion thermique. L’étude de la réponse de la sonde en contact conduit à l’estimation d’une plage de sensibilité à la conductivité thermique de l’échantillon ainsi qu’à l’estimation de la résistance thermique de contact. Enfin l’étude de matériaux comportant des inclusions démontre l’adéquation du mode alternatif avec la caractérisation des couches minces

Scanning Thermal Microscope allows the study of the temperature fields and of the thermals properties of materials at micrometric and nanometric scales. The instruments performances depend primarily on the thermal probe type used. Our microscope uses a thermo-resistive probe manufactured with a Wollaston wire of 75 µm diameter containing a platinum-rhodium core (90% - 10%) of 5 µm diameter. Traditionally this probe is supplied by a continuous electric current. This thesis is about the implementation of the operating process with alternative current. An electronic device is especially developed for this operating process which allows a precise modelling of measurement. Two distinct modellings are presented: the first one is one-dimensional (analytical approach), the second one is three-dimensional (finite element method). These modellings provide the characterization of the thermophysical and geometrical properties of the probe as well as the study of interaction between the probe and various surrounding mediums. The experimental and theoretical studies of the probe response according to the tip-sample distance reveal a phenomenon of thermal diffusion wave interferences. The study of the probe response, in contact, leads to the estimation of a high sensitivity range to the thermal conductivity’s sample and the estimation of the contact thermal resistance. Finally the study of the material with an inclusion shows the alternative mode appropriateness with the characterization of the thin films