Transport de chaleur dans les nano-couches minces excitées par une source laser d'intensité modulée

Heat transport in nanolayers excited by a Laser beam of modulated intensity.

• Auteur / Autrice : Kamal Alaili
• Direction : Younès Ezzahri, José Ordonez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique-thermique
• Date : Soutenance le 10/12/2019
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers ; 1984-....)
• Jury : Président / Présidente : Karl Joulain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Younès Ezzahri, José Ordonez, Danièle Fournier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : David Lacroix, Konstantinos Termentzidis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conductivité thermique

Nanothermique

Matériaux -- Propriétés thermiques

Théorie du transport

Matériaux nanostructurés

Mots clés libres

Nano-Couches diélectriques

Équation de transport de Boltzmann

Résistance thermique d'interface

Régimes balistique et diffusif

Diffusivité et conductivité thermiques

Dielectric nano-Layers

Boltzmann transport equation

Interface thermal resistance

Ballistic-Diffusive regime

Thermal diffusivity and thermal conductivity

Résumé

Ce travail, divisé en deux parties principales, porte sur l’étude du transport de chaleur dans les nano-couches excitées par une source laser d'intensité modulée. Dans la première partie, nous exploitons la solution analytique de l’équation de transport de Boltzmann appliquée aux phonons pour décrire les variations de la température et du flux de chaleur dans les films minces diélectriques excités par un laser d’intensité modulée. Cette dernière solution nous permet de modéliser le comportement de la résistance thermique d’interface (RTI) entre deux couches diélectriques en fonction de la nature du régime du transport des phonons et de la fréquence de modulation. Dans le régime stationnaire, nous montrons que cette résistance d’interface présente un caractère non-intrinsèque et asymétrique par rapport aux propriétés des deux couches. En plus, elle devient très importante quand le régime du transport des phonons est balistique. Nos résultats sont en bon accord avec le modèle DMM dans le régime balistique, tandis que l’écart entre les deux modèles ne dépasse pas 16% dans le régime diffusif. Cependant, en régime dynamique, la RTI atteint son maximum à une fréquence caractéristique dans la limite diffusive. L’expression de cette fréquence caractéristique pourrait servir à déterminer le libre parcours moyen et le temps de relaxation des phonons dominants de la couche d’épaisseur finie en comparant les données expérimentales aux résultats théoriques. Dans la seconde partie, nous proposons trois différentes méthodes pour extraire simultanément la diffusivité et la conductivité thermiques d’une couche finie en se basant sur l’équation de la chaleur de Fourier. L’idée est d’utiliser l’expression exacte du profil de température à la face avant lorsque celle-ci est excitée par un flux thermique modulé, tandis que la face arrière peut être maintenue à trois différentes conditions : température modulée, flux thermique modulé où température constante. Nous déterminons les expressions des fréquences de modulation auxquelles le profil de température atteint ses premiers maximum et minimum. La combinaison de ces fréquences caractéristiques avec le rapport entre les premiers maximum et minimum de la température, conduit ainsi à la détermination de la diffusivité et de la conductivité thermiques.

This work, separated into two main parts, deals with the study of heat transport in nano-layers excited by a laser beam with modulated intensity. In the first part, we exploit the analytical solution of the phonon Boltzmann transport equation to describe the variations of temperature and heat flux in thin dielectric films excited by a laser beam of modulated intensity. This last solution allows us to model the behavior of the interface thermal resistance (ITR) between two dielectric layers according to the nature of the phonon transport regime and the modulation frequency. In the steady state regime, we show that this interface resistance has a non-intrinsic and asymmetric character with regard to the two layers properties. In addition, it becomes very important when the phonon transport regime is ballistic. Our results are in good agreement with the DMM in the ballistic regime, while they differ by about 16% in the diffusive regime. However, in the dynamical regime, we mainly show that in the diffusive regime, the ITR reaches a maximum at a characteristic modulation frequency. The expression of this characteristic frequency can thus be used to determine the dominant phonons mean free path and relaxation time through the comparison of the theoretical model and the experimental data. In the second part, we propose three different ways to extract simultaneously the thermal diffusivity and conductivity of a finite layer based on the Fourier heat equation. The idea is to use the exact expression of the temperature profile at the front surface of the thin layer when the latter is excited by a periodic heat flux, while the rear surface can be maintained at one of three different types of boundary conditions: modulated periodic heat flux, modulated temperature, or constant temperature. We determine the expressions of the modulation frequencies at which the front surface temperature reaches its first maximum and first minimum. The combination of these characteristic frequencies with the ratio between the first maximum and the first minimum of the temperature, thus leads to the determination of the diffusivity and thermal conductivity.