Mécanismes des transferts de chaleur à l’échelle nanométrique et optimisation – nanoHEAT

La difficulté à simuler le signal obtenu par la microscopie thermique à sonde locale est la principale raison pour laquelle cette technique reste difficile d’accès. Nous allons donc nous atteler à cette tâche, notamment par l’étude du transfert thermique balistique dans l’air par des méthodes de résolution approchée de l’équation de Boltzmann, par le développement d’une méthode de calcul de la résistance thermique de contact parallèle à l’électrodynamique fluctuationnelle et par une analyse détaillée des images obtenues.

La conception d’échantillon sera faite par nanostructuration et donnera lieu à collaborations. Différents matériaux seront envisagés, et les tailles mises en jeu seront les dimensions caractéristiques des porteurs de chaleur (longueur d’onde, libre parcours moyen).

Les deux principaux résultats attendus du projet sont :

1) La mise à disposition de la communauté scientifique d’un programme de simulation du signal SThM prenant en compte les transferts thermiques entre la pointe et l’échantillon
2) La caractérisation d’un dispositif rectifiant la chaleur et la quantification de son efficacité

Chacune des voies menant à ces objectifs possède des retombées scientifiques, techniques et économiques.

La maîtrise des transferts d'énergie est une des clés du développement dans le futur. Ce projet devrait permettre de progresser à l'échelle nanométrique, notamment afin de développer des matériaux plus isolants, et permet d'envisager une potentielle «électronique de phonon«.

Des interventions à des conférences scientifiques de premier plan et des publications à haut facteur d'impact sont attendues principalement.

Le projet nanoHEAT traite des transferts d’énergie dans des dispositifs nanométriques. Il vise à la réalisation d’une expérience de rectification thermique à l’aide d’un échantillon structuré à l’échelle nanométrique et à sa caractérisation par microscopie thermique à sonde locale. Cet instrument aura été préalablement étudié en détail.
Le projet s’appuie donc sur deux parties.
D’une part, il propose le développement d’un outil qui facilitera la compréhension des signaux obtenus à l’aide des microscopes thermiques à sonde locale, qui sont des instruments dérivés du microscope à force atomique. Un tel microscope permet la mesure des propriétés thermiques avec une résolution spatiale submicrométrique à l’aide d’une pointe où est monté un capteur thermique et nécessite de ce fait une modélisation fine des échanges thermiques à son extrémité en contact avec l’échantillon à caractériser. La chaleur est en effet transférée de la pointe chaude vers l’échantillon via différents canaux, dont l’air adjacent, le contact mécanique, le rayonnement. Ces transferts donnent lieu à des effets balistique, de champ proche, et à des déformations influençant les modes de vibrations des corps en contact qui restent encore mal compris et décrits. Nous proposons la conception d’un outil de simulation de ces différents transferts thermiques et de l’influence de diverses géométries sur le transfert.
D’autre part, ce projet propose d’étudier le transfert de chaleur dans des situations qui donnent lieu au phénomène de rectification thermique. Ce phénomène existe lorsque le flux transféré d’une source chaude vers une source froide par un milieu donnée est différent de celui transféré lorsque les températures des sources sont inversées. Il permet d’envisager des diodes ou des valves à phonons, une étape décisive pour l’amélioration du stockage de la chaleur. L’étude systématique de l’influence de la nanostructuration de matériau sur les porteurs de chaleur permettra de concevoir puis de fabriquer un échantillon-test qui sera analysé par microscopie thermique à sonde locale. D’autres techniques seront également utilisées.
L’efficacité de la rectification thermique sera déduite des expériences afin de fournir des lignes directrices pour la conception des futurs dispositifs.
Ce projet sera réalisé au Centre de Thermique de Lyon (CETHIL).