Simulation Monte Carlo du transport des phonons dans les nanostructures au moyen des méthodes ab-initio
Auteur / Autrice : | Junbum Park |
Direction : | Jérôme Saint-Martin, Marco Pala |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies |
Date : | Soutenance le 31/05/2024 |
Etablissement(s) : | université Paris-Saclay |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) |
référent : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) | |
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….) | |
Jury : | Président / Présidente : Damien Querlioz |
Examinateurs / Examinatrices : Konstantinos Termentzidis, Marc Bescond, Jelena Sjakste | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Konstantinos Termentzidis, Marc Bescond |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Résumé
Alors que la tendance à la miniaturisation des appareils électroniques se poursuit, la compréhension du transport de chaleur à l'échelle nanométrique devient de plus en plus cruciale pour développer des systèmes fiables et économes en énergie. La loi de Fourier conventionnelle ne parvient pas à capturer la dynamique complexe du transport de chaleur basé sur les phonons dans de tels dispositifs miniaturisés. Avec la recherche de dispositifs plus compacts et plus performants, l'exploration de matériaux alternatifs au-delà du silicium est tout aussi essentielle, en se concentrant sur leurs propriétés thermiques. Dans cette thèse, nous étudions le transport des phonons au sein de nanostructures en utilisant des méthodes stochastiques de Monte Carlo (MC). La précision des simulations est améliorée grâce à l'utilisation d'une description complète des matériaux de bande dérivée de calculs ab-initio basés sur la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) sans recourir à des paramètres empiriques. Cette approche méthodologique permet des calculs précis de diffusion de phonons sur une large plage de températures de 0,1 à 1 000 K, intégrant des mécanismes de diffusion normale, Umklapp et isotopique pour tenir compte des interactions anharmoniques. Nous nous concentrons sur l'examen de matériaux alternatifs, tels que l'arséniure de gallium (GaAs) et de matériaux bidimensionnels (2D) comme le graphène, le nitrure de bore hexagonal (h-BN) et les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), chacun sélectionné pour ses propriétés thermiques uniques. Cette thèse présente un contexte théorique complet sur la DFT, soulignant l'importance des effets anharmoniques dans le transport des phonons, et discute des algorithmes de Monte Carlo pour résoudre l'équation de transport de Boltzmann. Les résultats présentés dans cette thèse incluent une analyse approfondie des propriétés thermiques des nanostructures de GaAs et de leur réponse à différentes conditions aux limites, dimensions du dispositif et températures. De plus, nous explorons les propriétés thermiques des matériaux 2D et de leurs hétérostructures latérales, en évaluant leur conductance thermique d'interface (ITC) et la variation des contributions modales des phonons à proximité de l'interface. Utilisant le concept de température directionnelle, l'étude fournit des calculs ITC précis, élucidant ainsi la dynamique thermique complexe au sein de ces hétérostructures. Enfin, nous étudions la réponse thermique transitoire dans des hétérostructures latérales 2D h-BN/graphène de 100 nm de long. Grâce à la cartographie positionnelle et à la caractérisation de la réponse temporelle, nous fournissons une compréhension détaillée du comportement thermique transitoire au sein de ces nanostructures. Ces travaux offrent non seulement des contributions substantielles au domaine du transport thermique dans les nanostructures, mais ouvrent également de nouvelles voies pour la conception et l'application de matériaux avancés en électronique.