Développement de la microscopie thermique à sonde locale pour la détermination de la conductivité thermique de films minces : application aux céramiques pour le nucléaire

par Laurent David

Thèse de doctorat en Nucléaire et Thermique

Sous la direction de Séverine Gomès et de Martin Raynaud.

Soutenue en 2006

à Villeurbanne, INSA .


  • Résumé

    Afin de comprendre et de caractériser les phénomènes de transport de l'énergie thermique aux échelles micro- et submicro-métriques, la microscopie thermique à sonde locale (Scanning Thermal Microscopy : SThM) est prometteuse. Basée sur l’analyse de l’interaction thermique entre une sonde chauffée et un échantillon, elle offre la possibilité de sonder la matière au niveau de volumes de taille micrométrique. Ce travail concerne plus particulièrement l’étude de la conductivité thermique de films minces. Nous proposons un nouveau modèle de prédiction de la mesure. Celui-ci permet non seulement l’étalonnage de la méthode pour la mesure de la conductivité thermique de matériaux massifs mais également de préciser le couplage thermique sonde – échantillon ainsi que d’estimer, à partir de son inversion, la conductivité thermique de films minces. Cette nouvelle approche de la mesure a permis la détermination de la conductivité thermique de films minces de silicium mésoporeux d’épaisseurs micro- et submicrométriques. Pour les épaisseurs de films plus faibles, nous apportons de nouvelles données. Notre modèle a permis une meilleure définition de la résolution en profondeur de l'appareil. Nous avons également développé la technique par la mise sous vide du SThM. Nos premiers résultats sont encourageants et valident la description du couplage utilisé dans notre modèle. Notre méthode a été appliquée à l'étude de céramiques envisagées dans la composition de futurs combustibles nucléaires. Du fait des limitations du SThM, des mesures ont également été entreprises avec un microscope thermique à photoréflectance. Nos résultats permettent de proposer une première estimation de la dégradation de la conductivité thermique, provoquée par une irradiation aux ions lourds, des céramiques considérées.


  • Résumé

    Ln order to understand and characterize the phenomena of transport of thermal energy at microscopie and submicroscopic scales, Thermal Scanning Probe Microscopy (SThM) is promising. Based on the analysis of the thermal interaction between an heated probe and a sample, it permits to probe the matter at the level of micrometrie size in volumes. This work more particularly relates to the study ofthin films thermal conductivity. We propose a new modelling of the prediction of measurement. This model allows not only the calibration of the method for the measurement of bulk material thermal conductivity but also to specify and to better describe the probe - sample thermal coupling and to estimate, from its inversion, thin films thermal conductivity. This new approach of measurement has allowed the determination of the thermal conductivity of micrometrie and submicrometric thicknesses of mesoporeux silicon thin film. For the lower thicknesses of film, we give new data. Our mode] has allowed a better definition of the in-depth resolution of the apparatus. We also developed the technique by the vacuum setting of SThM. Our first results are encouraging and validate the description of the coup ling used in our model. Our method was applied to the study of ceramics under consideration in the composition of future nuclear fuels. Because of the limitations of SThM in terms of sensitivity to thermal conductivity and in-depth resolution, measurements were also undertaken with a modulated thermoreflectance microscope. Our results permit to propose a first estimate of the degradation of the thermal conductivity, caused by an irradiation with energy heavy ions, of the ceramics considered.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (315 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. à la fin de chaque chapitre

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3117)
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