Simulation Monte Carlo du transport des phonons dans les nanostructures au moyen des méthodes ab-initio

Monte Carlo simulations of phonon transport in nanostructures based on ab-initio methods

• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Damien Querlioz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Konstantinos Termentzidis, Marc Bescond, Jelena Sjakste
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Konstantinos Termentzidis, Marc Bescond

Mots clés

Mots clés contrôlés

Kapitsa, Résistance de

Conductivité thermique

Nanostructures

Monte-Carlo, Méthode de

Théorie de la fonctionnelle de densité

Transport

Phonons

Mots clés libres

Transport des phonons

Théorie de la fonctionnelle de la densité

Méthode de Monte Carlo

Nanostructures

Conductivité thermique

Conductance thermique d'interface

Phonon transport

Density functional theory

Monte Carlo method

Nanostructures

Thermal conductivity

Interface thermal conductance

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.

As the trend towards miniaturization of electronic devices continues, understanding heat transport at the nanoscale becomes increasingly crucial for developing energy-efficient and reliable systems. Conventional Fourier's law fails to capture the complex dynamics of phonon-based heat transport in such miniaturized devices. With the drive for more compact and high-performance devices, exploring alternative materials beyond silicon is equally essential, focusing on their thermal properties. In this thesis, we study the phonon transport within nanostructures employing stochastic Monte Carlo (MC) methods. The accuracy of the simulations is enhanced by utilizing full band material description derived from ab-initio calculations based on density functional theory (DFT) without reliance on empirical parameters. This methodological approach allows for precise phonon scattering calculations across a broad temperature range of 0.1 to 1000 K, incorporating normal, Umklapp, and isotope scattering mechanisms to account for anharmonic interactions. We focus on examining alternative materials, such as gallium arsenide (GaAs) and two-dimensional (2D) materials like graphene, hexagonal boron nitride (h-BN), and transition metal dichalcogenides (TMDCs), each selected for their unique thermal properties. This thesis presents a comprehensive theoretical background on DFT, emphasizing the importance of anharmonic effects in phonon transport, and discusses the Monte Carlo algorithms for solving the Boltzmann transport equation. The results presented in this thesis include a thorough analysis of the thermal properties of GaAs nanostructures and their response to varying boundary conditions, device dimensions, and temperatures. Furthermore, we explore the thermal properties of 2D materials and their lateral heterostructures, assessing their interface thermal conductance (ITC) and the variation of phonon modal contributions near the interface. Employing the concept of directional temperature, the study provides precise ITC calculations, thereby elucidating the intricate thermal dynamics within these heterostructures. Finally, we investigate the transient thermal response in 100 nm long 2D h-BN/graphene lateral heterostructures. Through positional mapping and temporal response characterization, we provide a detailed understanding of the transient thermal behavior within these nanostructures. This work not only offers substantial contributions to the field of thermal transport in nanostructures but also opens new pathways for the design and application of advanced materials in electronics.