Transport thermique dans les milieux nano-structurés (GaAs)n / (AlAs)n

Effect of interface roughness on the thermal conductivity of GaAs/AlAs superlattices

• Auteur / Autrice : Abdelhak Saci
• Direction : Jean-Yves Duquesne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Défauts

Matériaux nanostructurés

Phonons

Superréseaux

Résumé

GaAs et AlAs sont deux bons conducteurs de la chaleur. Or, le matériau artificiel obtenu par empilement de couches nanométriques de ces deux matériaux est un mauvais conducteur. 1 Cet effet remarquable de la nanostructuration est encore mal compris mais deux ingrédients semblent devoir être considérés : 1) la modification profonde des courbes de dispersion des phonons (effet “intrinsèque”), 2) la diffusion des phonons par les défauts localisés aux interfaces (effet “non-intrinsèque”). Il est très difficile de quantifier l’importance relative de ces deux effets. Toutefois, les théories basées uniquement sur les effets intrinsèques ne rendent pas compte de la totalité de la réduction de conductivité observée expérimentalement. Ainsi, le point de vue généralement adopté à ce jour associe le mécanisme dominant à la présence de défauts aux interfaces. Le but de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de conduction thermique dans les super-réseaux. Pour celà, nous avons étudié expérimentalement l’importance relative des deux effets, intrinsèque et non-intrinsèque, en comparant les propriétés de deux familles d’échantillons, la première présentant des interfaces quasi-parfaites, la seconde présentant des interfaces dégradées. Nous nous sommes intéressés aux super-réseaux (GaAs)n/(AlAs)n. La croissance de ces matériaux est en effet bien maîtrisée et l’accord de maille quasi-parfait entre GaAs et AlAs permet l’élaboration de super-réseaux présentant des interfaces très abruptes. On contrôle alors la qualité des interfaces en ajustant les conditions de croissance. Au delà de l’intérêt fondamental, les études sur les super-réseaux peuvent être utiles à des applications telles que les dispositifs thermoélectriques ou les lasers à semi-conducteurs. Un certain nombre d’études ont montré qu’un super-réseau pouvait avoir une efficacité thermoélec- trique supérieure à celle d’un matériau massif. Or, l’efficacité d’un matériau thermoélectrique augmente lorsque sa conductivité thermique diminue. Il serait alors avantageux de diminuer la conductivité thermique des super-réseaux thermoélectriques. Par contre, les problèmes d’évacuation de chaleur rencontrés dans les lasers utilisant des super-réseaux (puits quantiques) montrent qu’il serait avantageux d’augmenter la conductivité thermique.

We present thermal conductivity measurements in short period GaAs/AlAs superlattices. The aim of this study is to get a better understanding of the various processes which restrict the phonon transport in semiconductor superlattices. In particular, the role of interface scattering is still under debate and very few experiments have been devoted to address this issue. Using the so-called 3w method, we measured the cross-plane thermal conductivity, of (GaAs)n(AlAs)n where n=3, 8 and 20. The interface roughness is controlled thanks to the growth temperature of the samples. We also present and discuss results as a function of temperature, between 20 and 300 K. For a given period, no significant change as a function of interface roughness is observed. Recent molecular dynamic simulations, using realistic interface models, could give clues to this low sensitivity versus interface quality.