Nanophononique quantique à basse température: vers une manipulation de la chaleur à l'echelle nanométrique

Quantum nanophononics at low temperature: towards heat manipulation at the nanoscale

• Auteur / Autrice : Jon Canosa diaz
• Direction : Jean-François Robillard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Inscription en doctorat le 13/09/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés libres

Nanophonique

Transport de chaleur

Micro-/nano-technologie

Fabrication sur salles blanches

Nanophononics

Heat transport

Micro-/nano-technology

Cleanroom Fabrication

Résumé

Description du sujet: La manipulation des flux de chaleur est possible en jouant avec le transport des phonons à l'échelle nanométrique dans les métamatériaux thermiques. C'est l'un des défis majeurs de la gestion actuelle de l'énergie à petite échelle. Afin de démontrer des effets innovants impliquant des libres parcours moyens de phonons importants et de grandes longueurs d'onde de phonons, il est essentiel de développer des capteurs thermiques ultra-sensibles ayant une large plage de fonctionnement en température. Nous proposons, dans un premier temps, de développer ces capteurs innovants ayant une sensibilité en puissance exceptionnelle, de l'ordre de la dizaine de zeptoWatt. Ces capteurs seront préparés sous deux formes complémentaires : une cristalline en silicium et une amorphe en nitrure de silicium. Dans un deuxième temps, en combinaison avec des calculs permettant d'optimiser la conception des échantillons, nous réaliserons des mesures de transfert de chaleur par conduction thermique dans des nanostructures non linéaires périodiques et - apériodiques afin de démontrer la possibilité de faire de l'ingénierie des propriétés thermiques. Motivation: Le projet découle de la combinaison de trois compétences reconnues : i) A l'IEMN (J.-F. Robillard), la micronanofabrication de plateformes de nanocaractérisation en silicium cristallin. ii) A l'Institut Néel (O. Bourgeois), l'étude à ultra-basse température de du transport thermique à l'échelle du zeptowatt. iii) Au CEA (N. Mingo), la modélisation et la théorie du transport dans les nanosystèmes quantiques. En combinant ces trois compétences nous visons à mettre en évidence pour la première fois de façon claire des effets d'interférences quantiques sur le transport des phonons. Nous concentrerons les modélisations et expérimentations sur deux systèmes représentatifs : les cristaux phononiques et les redresseurs thermiques. Des retombées importantes sont attendues concernant le management de la chaleur à petite échelle dans les dispositifs innovants tels que les cryo-CMOS utiles pour les technologies quantiques ou les récupérateurs d'énergie. Contexte de la thèse: La thèse se déroulera dans le cadre du projet HANIBAL soutenu par l'Agence Nationale de la Recherche et en lien étroit avec l'Institut Néel et le CEA de Grenoble. Le doctorant, pleinement intégré à l'équipe projet, et pourra effectuer des séjours ponctuels à Grenoble pour les besoins de mesures et de formation. La mission principale du doctorant sera de mobiliser les techniques de micro-nanofabrication pour concevoir des plateformes de nano-caractérisation thermique intégrant une variété de nanostructures en silicium cristallin. Ces échantillons seront étudiés à Grenoble à basse température et à l'IEMN à température ambiante. Le candidat bénéficiera de l'environnement technologique de l'IEMN. Une attention particulière sera portée à l'encadrement et à l'insertion du doctorant dans la communauté scientifique par une participation régulière à des écoles et conférences, notamment via le GDR « Nanomaterials for Energy ».

General Scope: Phonons, just like electrons, are known to be quantum particles. In a macroscopic material, this quantum nature of the phonons is hidden by the fact that the typical size of the sample is by far larger than the typical wavelength of the phonons. Just like in optics, in this situation, no spectacular effect of the quantum nature of the phonons can be expected. But if you now reduce the dimensionality of a heat conductor down to the limit of the phonon wavelength, then the quantum nature of the phonons should dominate their behaviour: this is a new field of research in which new concepts are still emerging. In this internship, we will focus on how this confinement changes the phonon behaviour and thus the heat transport in 2D structures (membrane) or 1D (nanowires). As an example, let us ask what happens when the dimensions of the conductor are comparable with the wavelength of the phonons, how can we describe the transport of phonons in such structures? The answer is quite subtle, and is related to the transmission of the wavefunction of the phonons through the structure. The most direct evidence of such a wave-nature of the heat transport in such small systems would thus lie in the appearance of plateaus each time the width of the conductor equals an integer times the wavelength of the phonons. This evidence for the quantum nature of heat transport at low temperature is still not clearly experimentally given. Research topic and facilities available: the topic of this thesis holds on the design, modeling and fabrication of crystalline silicon nanosctructures and thermal sensors. The measurements will be performed at room-temperature using Raman thermometry and at Low-T at Institut Néel, Grenoble. The candidate will get involved in the HANIBAL project. He will design and fabricate in a clean-room environment, the first building blocks of the sensors and nanostructures. Possible collaboration and networking (HANIBAL ANR Project): Collaborations with both theoreticians and experimentalists: Natalio Mingo (CEA-Liten, Grenoble), Olivier Bourgeois (Néel, Grenoble).