Anisotropie de la conductivité thermique artificiellement induite dans des membranes phononiques en silicium

Artificially induced anisotropy of thermal conductivity in 2D Si phononic membranes

• Auteur / Autrice : Stanislav Didenko
• Direction : Emmanuel Dubois, Thomas Skotnicki, Jean-François Robillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 17/06/2019
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Nanostructures

Conductivité thermique

Silicium cristallisé

Cristaux phononiques

Mots clés libres

Nano-Fabrication

Guidage de chaleur dans des nanostructures de silicium

Silicon low-dimensional nanostructures

Résumé

Ce travail de thèse est consacré au développement de mécanismes pratiques pour le guidage de chaleur dans des nanostructures de silicium de faible dimension. Les applications vont du domaine de la gestion thermique des circuits intégrés aux technologies et matériaux thermoélectriques émergents à base de Si, dans lesquels le guidage thermique de la chaleur peut jouer un rôle important. L'objectif est d'étudier expérimentalement la faisabilité d'une anisotropie de conductivité thermique (κ) dans le plan, induite artificiellement, des membranes nanostructurées en Si. En combinant la thermométrie Raman, la modélisation optique et la modélisation par éléments finis (FEM), il a été possible de mesurer le gradient thermique, la conductance de la membrane et de déterminer les conductivités thermiques effectives. Cette expérience confirme la possibilité d’induire artificiellement une anisotropie élevée de κ dans des membranes en silicium. Un modèle FEM paramétré conçu à dessein a démontré la mise en œuvre possible des effets anisotropes induits dans le domaine de la gestion thermique des circuits intégrés.

This thesis work is devoted to the development of practical mechanisms for the heat guiding in silicon low-dimensional nanostructures. The motivation comes from both the field of IC thermal management and emerging technology of Si-based thermoelectric devices, where directional heat guiding can play an important role. A series of micrometre-sized thermal characterisation platforms was designed and fabricated. The objective is to study experimentally the feasibility of artificially-induced in-plane anisotropy of effective thermal conductivity (κ) in Si nanopatterned membranes. By the combined use of micro Raman Thermometry, Rigorous Coupled Wave Analysis and Finite Element Modelling (FEM) it was possible to measure the thermal gradient, membrane conductance and determine effective thermal conductivities. This experiment confirms the possibility to induce artificially high anisotropy of κ in Si phononic membranes. Finally, purposefully designed parameterized FEM model demonstrated the possible implementation of the induced anisotropic effects in the area of IC thermal-management.