Nanoscale structuration effects on phonon transport at low temperatures

par Christophe Blanc

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Olivier Bourgeois.

Soutenue le 05-11-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Henri Godfrin.

Le jury était composé de Sebastian Volz.

Les rapporteurs étaient Ilari Maasilta, Francesco Giazotto.

  • Titre traduit

    Transport quantique de phonons dans des nanostructures à très basse température


  • Résumé

    Cette thèse, intitulé « Effet de structuration à l'échelle du nanomètre sur le transport de phonon à basse température » c'est déroulé pendant trois ans au sein du groupe Thermodynamique et Biophysique des Petits Systèmes de l'Institut Néel.Il s'agit de comprendre et de contrôler le transport de chaleur au sein d'échantillons ayant des variations de l'ordre du nanomètre. Ces échantillons ont surtout été des nanofils suspendus en silicium. La fabrication a été réalisée au sein de l'Institut Néel. Lors de ces trois années, trois résultats importants ont été réalisés.Tout d'abord, il a fallu vérifier que le transport de chaleur ne soit pas dominé par un effet dû aux contacts entre le nanofil suspendu et le bain thermique. Cela a pu être mis en évidence grâce à la concordance entre les mesures et le modèle appelé Casimir-Ziman. Mais cela a surtout été vérifié avec des fils dont la jonction au bain thermique a été adaptée afin de permettre une transmission proche de l'unité. Ces fils profilés ayant la même conductance thermique que les fils avec une jonction abrupte au bain thermique, cela prouve que la transmission est toujours proche de 1.Ensuite des mesures sur des fils dont la section est ondulée ont permis de montrer une réduction de la conductance thermique. Cette réduction est expliquée par la présence de rétrodiffusion des phonons à la surface, ce qui entraîne une grande réduction de leur libre parcours moyen. Ainsi, les phonons dans un nanofil droit ont un libre parcours moyen jusqu'à 9 fois plus grand que dans ces nanofils à la section ondulée. Des simulations avec la méthode de Monte-Carlo ont permis de mettre en évidence cet effet.Si ces premiers résultats ont été réalisés pour des fils de silicium monocristallin, le dernier travail a porté sur l'étude d'échantillon en nitrure de silicium. Ce matériau est un matériau amorphe. La physique du transport de chaleur au sein des matériaux amorphes n'est pas encore complètement comprise. Cependant les mesures faites sur ces matériaux montrent un comportement similaire, tant qualitatif que quantitatif, pour presque tous les matériaux amorphes. Nous avons donc mesurés des échantillons de différentes sortes, afin de vérifier si ce comportement était toujours valable, lorsque la dimension de l'échantillon est réduite. Le résultat de nos mesures est que la dimension joue un rôle sur le transport. Tout comme dans les matériaux cristallins, la basse dimension de l'échantillon va limiter le transport de chaleur. Cependant le transport dans les échantillons de basses dimensions montre le même comportement qualitatif que les matériaux amorphes massifs. Ce travail peut permettre de donner des pistes pour la compréhension du transport de chaleur au sein des matériaux amorphes.En conclusion ce travail m'a permis de fabriquer puis de mesurer le transport de chaleur dans différents types d'échantillons. Les résultats obtenus permettent une meilleur connaissance du transport des phonons, et donc aident à ouvrir la voie vers un meilleur contrôle du transport de la chaleur.


  • Résumé

    This PhD entitled "Nanoscale structuration effect on the phonon transport at low temperature" take place for three years in the Thermodynamique et Biophysique des Petits Systèmes of the Institut Néel.The context of this PhD is to understand and control the heat transport in samples with variations at the nanoscale. These samples were mostly suspended silicon nanowires. The production was performed in the Néel Institute. During these three years, three important results have been demonstrated.First, we verify that heat transport is not dominated by an effect due to the contact between the suspended nanowire and the thermal bath. This has been demonstrated by the agreement between the measurements and the model called Casimir-Ziman. It was also mainly verified with wires whose junction to the thermal bath has been adapted to allow transmission close to unity. These profiles nanowires have the same thermal conductance as a nanowire with abrupt junction to the thermal bath. This proves that the transmission is always close to 1.Then measurements on nanowires whose section is corrugated have shown a reduction in thermal conductance. This reduction is explained by the presence of backscatter phonons at the surface, resulting in a large reduction of their mean free path. Thus, the phonons in a smooth nanowire have a mean free path up to 9 times greater than in these corrugated nanowires. Simulations with the Monte-Carlo method also demonstrate this effect.If these first results were achieved for monocrystalline silicon nanowires, my last work has focused on the study sample of silicon nitride. This material is an amorphous one. Physics of heat transport in amorphous materials is not yet fully understood. However, measurements on these materials show a similar behavior, both qualitatively and quantitatively, for almost all amorphous materials. We have measured samples of different kinds, to see if this behavior was still valid when the sample size is reduced. The result of our measurements is that the size plays a role in transport. As in crystalline materials, the small sample size will limit the heat transport. However transport in low-dimensional samples shows the same behavior qualitatively as in bulk amorphous materials. This can help provide clues for understanding the heat transport in amorphous materials.In conclusion, this work has allowed me to make and measure the heat transport in different types of samples. The results allow a better knowledge of the phonon transport, thus helping to pave the way towards a better control of heat transport.


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