Progrès en thermométrie quantitative aux échelles micro et nanométriques par microscopie thermique à balayage (SThM)

Advances in quantitative micro/nanoscale thermometry using scanning thermal microscopy

• Auteur / Autrice : Tran Phong Nguyen
• Direction : Laurent Thiery, Damien Teyssieux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 18/01/2018
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....) - Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Trannoy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Thiery, Damien Teyssieux, Nathalie Trannoy, Gilles Tessier, Phillip Dobson, Pascal Vairac, Bruno Hay, Séverine Gomès
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Tessier, Phillip Dobson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermométrie

Mots clés libres

Miscroscopie thermique à balayage (SThM)

Micro et nanométriques

Thermométrie quantitative

Thermocouple

2-Omega methode

Diapason à quartz

Scanning thermal microscopy

Micro/nanoscale thermometry

Quantitative

Thermocouple

2-Omega method

Quartz tunning fork

Résumé

Les caractérisations thermiques à l'échelle nanométrique restent un défi depuis l'émergence de dispositifs nano structurés. Ayant des avantages en termes de résolution latérale par rapport aux techniques de champ lointain, la microscopie thermique à balayage est devenue un outil essentiel pour la caractérisation locale des propriétés thermiques des matériaux. Dans le cadre du projet européen « Quantiheat », plusieurs laboratoires ont travaillé ensemble pour essayer de comprendre et d'obtenir des mesures quantitatives couvrant les échelles spatiales allant du micro au nanomètre.Ce document contient six chapitres avec quatre parties principales, dans lesquelles des sondes SThM à thermocouples microfilaires ont été utilisées pour améliorer nos connaissances en thermométrie quantitative à cette échelle. Ce type de sonde a été développé et amélioré pendant plusieurs années. Nous démontrons qu'il est adapté pour mesurer la température d’échantillons actifs ainsi que la conductivité thermique d’échantillons passifs.Grâce à la thèse, la dernière version du microscope (matériel, logiciel) et la conception de la sonde sont présentés. Fixé sur un diapason en quartz, la force de contact pointe-échantillon peut être quantifiée. Placé dans une chambre à vide, ce système permet un contrôle complet des paramètres prédominants sur la mesure, tels que la pression de l'air et la force de contact. Les mesures en modes actif et passif ont pu être menées grâce aux échantillons fournis par les partenaires du projet « Quantiheat » afin de démontrer que des mesures quantitatives sont envisageables. En changeant les conditions ambiantes allant du vide primaire à la pression ambiante, les mécanismes de transfert de chaleur de l'échantillon-pointe ont été analysés en détail pour mettre en évidence le rôle prépondérant de l'air et des conductions de contact solide-solide.

Thermal characterizations at nano-scale remain a challenge since the emergence of nano-structured devices. Having advantages in term of lateral resolution compared to far field techniques, the scanning thermal microscopy has become an essential tool for local materials heat transport characterization. In the frame of the European Quantiheat Project, several laboratories have worked together trying to figure out and to obtain quantitative thermal measurements covering spatial scales from the micrometre to the nanometre.This document contains six chapters with four main parts, in which micro-wire thermocouple based SThM probes have been used to enhance our knowledge in quantitative thermometry at this scale. This kind of probe has been developed and improved for several years. We demonstrate that it is adapted for measuring temperature of active samples as well as thermal conductivity of passive samples.Through the dissertation, the last version of the microscope (hardware, software) and probe design are presented. Attached on a quartz tuning fork, the tip-sample contact force can be quantified. Placed in a vacuum chamber, this system permits a full control of predominant parameters on the measurement such as air pressure and contact force. Thanks to samples provided by Quantiheat partners, measurements in active and passive modes have been performed to demonstrate that quantitative measurements are feasible. By changing ambient conditions from primary vacuum to ambient pressure, the tip-sample heat transfer mechanisms have been analysed in detail to reveal the preponderant role of air and solid-solid contact conductions.