Thèse soutenue

Understanding thermal transport in advanced nanophononic structures for energy applications
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Auteur / Autrice : Mohammad Hadi
Direction : Stéphane PailhèsValentina Giordano
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 14/03/2022
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale des Matériaux (Lyon)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
Laboratoire : Institut Lumière Matière
Jury : Président / Présidente : Natalia Del Fatti
Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Pailhès, Valentina Giordano, Olivier Bourgeois, Ilaria Zardo, Filippo Bencivenga
Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Bourgeois, Ilaria Zardo

Résumé

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La réduction de la pollution est un des grands défis de notre siècle pour notre société et pour l'environnement. La principale source de pollution est l'émission de substances toxiques gazeuses provenant de sources d'énergie fossiles. Les procédés photocatalytiques offrent des solutions alternatives pour la dépollution, le stockage et la production d'énergie en minimisant l'empreinte écologique. Dans cette thèse, nous étudions l'intérêt de la nanostructuration de la matière pour optimiser l'activation thermique des processus photo-induits. Cette nano-structuration étant déjà optimisée pour les processus photoniques, l'objectif est de concevoir la nano-structure à l'interface entre l'optique (photons) et la thermique (phonons), on parle alors de phoxonique. Pour cela, dans le cadre d'un projet "IDEXLYON Scientific Breakthrough" nommé "IPPON:Incoherent light and Phonon management in micro-nanopatterned materials for efficient depollution and artificial PhOtosyNthesis.", nous avons travaillé sur l'étude de la thermique dans des substrats de SiN nano-structurés via des approches pompe-sonde pour mesurer la conductivité thermique et comprendre les mécanismes microscopiques de transport de la chaleur. Le premier axe du travail de thèse a été l'étude de l'effet de la température de dépôt sur la dépendance en température de la conductivité thermique de films de SiNx amorphe d'épaisseurs comprises entre 200 et 500 nm. Étonnamment, la conductivité thermique présente une forte diminution en chauffant au-dessus de 473 K, diminuant de plus de 30% jusqu'à un minimum autour de 673 K, avant de retrouver des valeurs comparables à la température ambiante. Ce comportement, observé uniquement pour un premier cycle de chauffage de l'échantillon, est associé à une modification irréversible du film mince, et a été relié à une désorption partielle de l'hydrogène piégé dans a-SiNx lors du dépôt. Le second axe du travail est dédié à l'étude microscopique de la propagation des particules élémentaires du transport thermique, les phonons, dans les membranes de SiNx amorphe nanostructurées. L'objectif est d'étudier l'effet de la nano-structuration sur la propagation des phonons en fonction de leurs propriétés individuelles (longueur d'onde et énergie). L'étude montre que la réduction de la durée de vie des phonons dans le matériau nanostructuré dépend fortement de la longueur d'onde des phonons au regard des dimensions caractéristiques de la nanostructure. Ainsi, le rapport des durées de vie des phonons entre le matériau nanostructuré et le matériau uniforme varie de 10 à 60% en fonction de la longueur d'onde.