A la recherche d'un transfert de chaleur non-Fourier avec la thermoréflectance

Seeking for non-Fourier heat transfer with thermoreflectance

• Auteur / Autrice : Ahmad Zenji
• Direction : Stefan Dilhaire, Stéphane Grauby
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Degert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Begoña Abad, Gilles Pernot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Bourgeois, Fabrice Vallée

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Thermographie

Phonons

Lévy, Processus de

Semiconducteurs

Échantillonnage

Mots clés libres

Echantillonnage optique asynchrone/hétérodyne

TDTR

FDTR

Thermoréflectance

Transport thermique à l'échelle nanométrique

Pompe-sonde femtoseconde

Phonons

Dynamique de Lévy

Semi-conducteurs

Transport balistique-diffusif

Films métalliques

Imagerie thermique

Asynchronous/Heterodyne optical sampling

TDTR

FDTR

Thermoreflectance

Heat transport at nanoscale

Femtosecond pump-probe

Phonons

Lévy dynamics

Semi-conductors

Ballistic-diffusive transport

Metallic films

Heat imaging

Résumé

La conduction thermique régie par les phonons dans les matériaux est généralement décrite par le modèle de diffusion de Fourier. Par contre, un nouveau comportement thermique observé dans les alliages, appelé régime superdiffusif basé sur la dynamique de Lévy, peut être observé à des échelles spatiales et temporelles spécifiques. Il s’agit d’un régime intermédiaire entre les régimes balistique et diffusif. Plusieurs méthodes thermiques théoriques et expérimentales ont été proposées pour modéliser la superdiffusivité. Pourtant, de nombreuses caractéristiques prédites par celles-ci n'ont pas été observées expérimentalement. Cela représente toujours un défi dans le transport thermique pour de nombreuses applications à l'échelle nanométrique. Dans ce contexte, nous avons développé un capteur thermique spectral à large bande, qui combine des mesures de thermoréflectance dans les domaines temporel et fréquentiel (TDTR et FDTR), en but d’étudier ce régime non-Fourier dans certains semi-conducteurs.Premièrement, la bande passante thermique de la technique TDTR est limitée par le transport thermique dans le transducteur, déposé au-dessus du matériau d'intérêt. Ainsi, nous avons étudié la transparence thermique de plusieurs films métalliques pour optimiser la nature et l'épaisseur du transducteur. Dans la deuxième partie, nous avons développé un capteur à large bande basé sur la combinaison FDTR/TDTR qui permet de mesurer à notre connaissance la plus large réponse thermique des matériaux sur 8 décades, de 10 kHz jusqu'à 1 THz. Par conséquent, cela permet également d'atteindre une résolution temporelle ultime de la réponse thermique transitoire. Nous avons ensuite effectué à travers le capteur des mesures et identifié des propriétés thermiques dans une gamme de valeurs de conductivité thermique de films minces allant de 10-1 à 102 W/m/K. Dans la troisième partie, la mesure analysée avec un modèle basé sur la dynamique de Lévy a permis de mettre en évidence la présence de transport thermique non diffusif dans les alliages InGaAs. Ensuite, nous avons étudié la réponse thermique du matériau modèle GeMn incorporant des nanoinclusions, qui devrait présenter un comportement quasi-balistique. Enfin, nous avons développé une technique d'imagerie TDTR ultrarapide afin d'étudier le transport thermique dans le plan. Ce qui rend notre banc de mesure capable de réaliser une étude thermique dans le plan et hors du plan.

Phonons heat conduction in materials is usually described by the well-known Fourier diffusion model. However, a new thermal behavior in alloys, called superdiffusive regime based on the Lévy dynamics, can be observed at specific space and time scales. It is an intermediate regime between the ballistic and diffusive regimes. Several theoretical and experimental thermal methods were proposed to model the superdiffusivity. Yet, many predicted characteristic features have not been observed experimentally. It still represents a longstanding challenge in thermal transport for numerous nanoscale applications. In this context, we have developed a broadband spectral thermal sensor, which combines Time- and Frequency-domain thermoreflectance (TDTR and FDTR) measurements, seeking for this non-Fourier regime in certain semi-conductors.First, the ultimate thermal bandwidth of the TDTR technique is limited by the thermal transport in the transducer deposited above the material of interest. Thus, we have studied the thermal transparency of several metal films to optimize the nature and thickness of the transducer. In the second part, we have developed a broadband sensor based on the combination of FDTR/TDTR that allows to measure to our knowledge the widest thermal response of materials over 8 decades, from 10 kHz up to 1 THz. Hence, it also makes possible to achieve the ultimate temporal resolution of the transient thermal response. We then performed the sensor measurements and identified the thermal properties in a range of thermal conductivity values of thin films ranging from 10-1 to 102 W/m/K. In the third part, the sensor measurement, analyzed with a model based on Lévy dynamics, highlighted the presence of non-diffusive thermal transport in InGaAs alloys. Then, we investigated the thermal response of model material GeMn incorporating nanoinclusions, which are expected to exhibit a quasi-ballistic behavior. Finally, we developed an ultrafast TDTR imaging technique in order to study the in-plane thermal propagation. This makes our bench capable of complete in and out of plane studies.