Manipulation du flux thermique au-delà de la lois Fourier grâce à des matériaux 2D nano-architecturés – BF2D

Atteindre la faisabilité et la fiabilité de la densification des dispositifs électroniques nécessitent des solutions de design intelligentes et innovantes à l'échelle nanométrique. Dans ce projet, nous proposons d’exploiter de nouveaux phénomènes de transport de la chaleur, prédits numériquement et théoriquement et/ou démontrés partiellement expérimentalement à ces mêmes échelles, pour la gestion thermique des systèmes ultra-denses. Ces nouveaux phénomènes comprennent le transport balistique, la cohérence de phonons, la rectification thermique ou encore le transport thermo-hydrodynamique. Par ailleurs, nous focalisons nos recherches sur les matériaux bidimensionnels (2D) dont les propriétés physiques ne cessent de révolutionner la façon de concevoir de nouveaux appareils hautes performances, en particulier dans les domaines de la microélectronique, de la conversion et du stockage de l'énergie, de la dépollution, de la détection, entre autres. Ces matériaux sont très prometteurs pour la gestion thermique des systèmes aux nanoéchelles grâce à leur forte anisotropie thermique et un grand libre parcours moyen des phonons. Ils devraient permettre de résoudre les problèmes de forte dissipation thermique dans des dispositifs électroniques et optoélectroniques.
Le projet BF2D est un projet fondamental, très ambitieux d’un point de vue scientifique et technique. Notre proposition vise à développer une gestion intelligente de l'énergie, basée sur des matériaux 2D nanoarchitecturés, afin de créer et d’ajuster des propriétés de transport thermique anisotropes à température ambiante. Son originalité est d'étudier l’impact sur ces propriétés de l'organisation spatiale et de la distribution de la densité des centres de diffusion des phonons à la même échelle que les longueurs d'onde des phonons (quelques nm à 300 K). Les stratégies de fonctionnalisation des matériaux 2D visées comprennent : la perforation nanométrique contrôlée et l’amorphisation partielle des matériaux, la découpe de membranes en formes asymétriques (trapézoïdes) et les hétérostructures latérales (graphene/h-BN, encapsulation partielle, suspension partielle, ou mêmes membranes déposées sur un bi-substrat). Ces stratégies, combinant des approches originales d'élaboration et de fonctionnalisation intelligente, seront précisées, mises au point et optimisées sur la base de lois de designs issues de modélisations atomistiques et mésoscopiques, et de mesures innovantes de double plateforme.
Pour atteindre ses objectifs, le consortium du projet est constitué par cinq laboratoires académiques (CETHIL, Inst. Néel, LOMA, IMPMC et DPHY/CMT-ONERA) d’expertises reconnues internationalement et complémentaires dans les domaines de la modélisation multiéchelle (ab-initio et dynamique moléculaire, et de l’échelle atomique à l’échelle mésoscopique) et de la mesure des propriétés du transport et de la cartographie thermique, de la synthèse de nanomatériaux et systèmes, et de la fonctionnalisation des matériaux.
Les principaux résultats attendus du projet intègrent de nouveaux protocoles de conception et d’élaboration de matériaux nanoarchitecturés innovants pour dissiper la chaleur dans des directions préférentielles (rectification thermique) avec pour objectif final la création de blocs de construction pour la gestion thermique tels que des guides, des lentilles, des diffuseurs ou des redresseurs thermiques (thermotronics).