Thèse soutenue

Analyse physique à l’échelle nanométrique du transfert de chaleur dans des nanofils défectueux

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Auteur / Autrice : Shiyun Xiong
Direction : Sebastian Volz
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique et sciences pour l'ingénieur
Date : Soutenance le 07/11/2014
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
Examinateurs / Examinatrices : Sebastian Volz, Davide Donadio, Yuriy Kosevich, Karl Joulain, Pietro Cortona
Rapporteurs / Rapporteuses : Davide Donadio, Yuriy Kosevich

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Cette thèse se concentre sur l'étude de l'impact de divers défauts de réseau, c'est-à-dire de dislocations, de parois entre phases inversées, de décalages de mailles et de gaps, sur la conductivité thermique de nano-fils par simulation de dynamique moléculaire et les calculs de fonctions de Green atomiques. Tout d'abord, nous calculons la conductivité thermique de nano-fils de silicium orientés <110> incluant une dislocation spirale par la dynamique moléculaire de non-équilibre. Nous constatons qu'avec l'inclusion d'une dislocation, le taux de diffusion phonon-phonon est amélioré de façon significative en raison de l'existence du champ de déformation induit. Ce processus de diffusion anharmonique augmente avec le vecteur de Burger. Par conséquent, la conductivité thermique de nano-fils disloqués est largement réduite et le pourcentage de réduction est proportionnel à la grandeur du vecteur de Burger. Deuxièmement, le concept de nano-fils de super-réseau anti-phase est proposé et leur conductivité thermique est étudiée avec la dynamique moléculaire d'équilibre. On constate que la frontière anti-phase peut diffuser fortement les phonons et réduire la vitesse de groupe des phonons. Le jeu entre le transport cohérent de phonons et la diffusion de surface conduit à une conductivité thermique minimale à une période de longueur spécifique. La combinaison de la diffusion des phonons à l'interface et la diffusion de surface des nanofils réduit la conductivité thermique de SiC de deux ordres de grandeur, ce qui est d'un grand intérêt pour les applications en thermoélectricité. Troisièmement, nous démontrons que le transport des phonons peut être entravé en grande partie dans un nano-fil de Si avec une structure en zig-zag périodique. Une conductivité thermique plus faible est observée du fait d'un pur effet géométrique, qui produit une disparition complète des directions principales de polarisation de phonon à une période de longueur spécifique. La conductivité thermique minimale et la longueur de période correspondante sont dépendantes du diamètre. L'avantage de cette structure est qu'elle supprime en grande partie le transport thermique sans détériorer le transport d'électrons. Enfin, la transition entre la conduction de la chaleur et le rayonnement de champ proche dans un système de chaîne de clusters de SiO2 est étudiée avec la méthode des fonctions de Green. Trois régions de variation de la conductance dans ce domaine de largeur de gap sont identifiées, plus particulièrement, la région liée à la conduction où les électrons des deux corps sont mis en commun au milieu du gap, la région de champ proche prédominée par des interactions de charges de surface, et la région de champ proche prédominée par des interactions dipôle-dipôle de volume. Cette étude fournit finalement une description de la transition entre le rayonnement et la conduction de la chaleur dans les gaps de dimensions inférieures à quelques nanomètres.