DS03 - Stimuler le renouveau industriel

Simulation des résistances thermiques d'interface: utilisation des transitoires de chaleur pour des simulations en dynamique moléculaire ab initio – SIRENA

Résumé de soumission

Le problème abordé par la proposition SIRENA est celui de la modélisation quantitative du transport de chaleur aux hétéro-interfaces, c'est-à-dire aux interfaces entre matériaux différents. C'est une situation typiquement rencontrée dans les nanotechnologies actuelles et en développement. Par exemple, dans les circuits intégrés, la chaleur générée au niveau du canal du transistor (silicium, SiGe, III-V) s'évacue vers la face arrière en traversant plusieurs interfaces avec d'autres matériaux isolants ou semi-conducteurs, et par la face avant à travers des interfaces avec le métal des interconnections. La simulation numérique à l'échelle atomique est un outil inestimable pour étudier le transport thermique dans les nanostructures en se focalisant sur les mécanismes fondamentaux des échanges thermiques dans des systèmes modèles dédiés. Nous proposons ici de réaliser des simulations à l'échelle atomique afin de réaliser une avancée significative dans la compréhension quantitative des résistances thermiques d'interface. Dans ce but, nous allons combiner la dynamique moléculaire premiers principes (FPMD, pour "first-principles molecular dynamics") et une méthode développée récemment pour étudier la conduction thermique par dynamique moléculaire (MD, pour "Molecular Dynamics") dans des systèmes de grande taille, la dynamique moléculaire d'approche à l'équilibre (AEMD pour "approach to equilibrium molecular dynamics"). L'AEMD réduit considérablement le temps de calcul en tirant partie de transitoires de température. La validation du principe de cette approche et la comparaison avec l'expérience seront réalisées sur deux systèmes sélectionnés parce que i) leur taille, ainsi que l'échelle de temps de leur réponse thermique sont compatibles avec un traitement en FPMD et ii) ils ont été étudiés récemment par la technique expérimentales de caractérisation la plus avancée, d'où une parfaite contre-partie expérimentale. Le premier de ces systèmes est une monocouche auto-assemblée d'alcanes placée entre une surface d'or et une surface de silicium, une configurationétudiée actuellement de manière expérimentale à IBM Zurich Research Laboratory par B. Gotsmann. Ce système est particulièrement adapté à une validation de principe car il a été montré que la MD classique ne peut pas donner dans ce cas d'estimation quantitative de la résistance thermique, et ceci à cause des différents types de liaisons chimiques entrant en jeu.
Le second système est l'interface d'un verre de chalcogénure, Ge2Sb2Te5 (GST) avec un cristal ou un amorphe, dans la lignée d'une de nos études sur un autre verre, GeTe4. Dans cette étude, que nous avons publiée tout récemment, la méthodologie FPMD/AEMD a été fructueusement utilisée pour obtenir la conductivité thermique. Ici nous allons nous intéresser à la résistance thermique d'interface entre le GST et des films de silicium/silice, et ainsi déterminer l'un des paramètres fondamentaux du transfert de chaleur dans les mémoires à changement de phase. Le choix du verre de GST vient de ce que nous disposons de structures obtenues par FPMD pour ce matériau, et avec différents degrés de désordre chimique (densité de défauts). En étudiant ces deux classes de systèmes (couche moléculaire d'interface et contact direct entre deux matériaux denses), nous exploiterons au mieux les possibilités de l'approche FPMD/AEMD afin de déterminer de manière quantitative la résistance thermique d'interface de prototypes d'intérêt technologique.

Coordinateur du projet

Madame Evelyne Lampin (Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IPCMS Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg
IEMN Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie

Aide de l'ANR 200 566 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2017 - 48 Mois

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