Résolution de l’équation de transport de Boltzmann pour les phonons et applications

par Hani Hamzeh

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Frédéric Aniel.

Le président du jury était Philippe Dollfus.

Le jury était composé de Frédéric Aniel, Philippe Dollfus, Sebastian Volz, Robson Ferreira, Jean-Luc Thobel.

Les rapporteurs étaient Sebastian Volz, Robson Ferreira.


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à l’étude de la dynamique et du transport des phonons via la résolution de l’équation de transport de Boltzmann (ETB) pour les Phonons. Un ‘solveur’ Monte Carlo dédié à la résolution de l’ETB des phonons dans l’espace réciproque, prenant en compte tous les processus d’interactions Normaux et Umklapp à trois-phonons, est proposé. Une prise en compte rigoureuse des lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement est entreprise. Des relations de dispersion réalistes, intégrant tous les modes de polarisations, sont considérées. Le calcul des taux d’interactions à trois-phonons de tous les processus Normaux et Umklapp est effectué en utilisant l’approche théorique due à Ridley qui ne nécessite qu’un unique paramètre semi-ajustable pour chaque mode de polarisation, nommément : le coefficient de couplage anharmonique représenté par les constantes de Grüneisen. Les taux d’interactions ainsi calculés ne servent pas uniquement à la résolution de l’ETB des phonons, mais ont permis aussi une analyse complète des canaux de relaxation des phonons longitudinaux optiques de centre de zone. Cette analyse a montré que le canal de Vallée-Bogani est négligeable dans le GaAs, et que vraisemblablement les temps de vie des phonons LO de centre de zone dans l’InAs et le GaSb rapportés dans la littérature sont fortement sous-estimés. Pour la première fois à notre connaissance, un couplage de deux solveurs Monte Carlo indépendants l’un dédié aux porteurs de charges (Thèse E. Tea) et l’autre dédié aux phonons, est effectué. Cela permet d’étudier l’effet des phonons chauds sur le transport des porteurs de charges. Cette étude a montré que l’approximation de temps de relaxation surestime souvent l’effet bottleneck des phonons. Le ‘solveur’ Monte Carlo est étendu pour résoudre l’ETB des phonons dans l’espace réel (en plus de l’espace réciproque), cela a permet d’étudier le transport des phonons et ainsi de la chaleur. La théorie généralisée de Ridley est toujours utilisée avec des particules de simulations qui interagissent les unes avec les autres directement. Les règles de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement sont rigoureusement respectées. L’effet des processus Umklapp sur la quantité de mouvement totale des phonons est fidèlement traduit; tout comme l’effet des interactions sur les directions des phonons, grâce à une procédure prenant en compte les directions vectorielles respectives lors d’une interaction, au lieu, de la distribution aléatoire usuellement utilisée. Les résultats préliminaires montrent la limite de l’équation analytique de conduction de la chaleur.

  • Titre traduit

    Solving Boltzmann transport equation for phonons and applications


  • Résumé

    This work is dedicated to the study of phonon transport and dynamics via the solution of Boltzmann Transport Equation (BTE) for phonons. The Monte Carlo stochastic method is used to solve the phonon BTE. A solution scheme taking into account all the different individual types of Normal and Umklapp processes which respect energy and momentum conservation rules is presented. The use of the common relaxation time approximation is thus avoided. A generalized Ridley theoretical scheme is used instead to calculate three-phonon scattering rates, with the Grüneisen constant as the only adjustable parameter. A method for deriving adequate adjustable anharmonic coupling coefficients is presented. Polarization branches with real nonlinear dispersion relations for transverse or longitudinal optical and acoustic phonons are considered. Zone-center longitudinal optical (LO) phonon lifetimes are extracted from the MC simulations for GaAs, InP, InAs, and GaSb. Decay channels contributions to zone-center LO phonon lifetimes are investigated using the calculated scattering rates. Vallée-Bogani’s channel is found to have a negligible contribution in all studied materials, notably GaAs. A comparison of phonons behavior between the different materials indicates that the previously reported LO phonon lifetimes in InAs and GaSb were quite underestimated in the literature. For the first time, to our knowledge, a coupling of two independent Monte Carlo solvers, one for charge carriers [PhD manuscript, E. TEA], and one for phonons, is undertaken. Hot phonon effect on charge carrier dynamics is studied. It is shown that the relaxation time approximation overestimates the phonon bottleneck effect. The phonon MC solver is extended to solve the phonon’s BTE in real space simultaneously with the reciprocal space, to study phonon and heat transport. Ridley’s generalized theoretical scheme is utilized again with simulation particles interacting directly together. Energy and momentum conservation laws are rigorously implemented. Umklapp processes effect on the total phonon momentum is thoroughly reproduced, as for the anharmonic interactions effect on resulting phonon directions. This is thanks to a procedure taking in consideration the respective vector directions during an interaction, instead of the randomization procedure usually used in literature. Our preliminary results show the limit of the analytic macroscopic heat conduction equation.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud 11. Service commun de la documentation. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.