A la recherche d'un transfert de chaleur non-Fourier avec la thermoréflectance

Abstract

La conduction thermique régie par les phonons dans les matériaux est généralement décrite par le modèle de diffusion de Fourier. Par contre, un nouveau comportement thermique observé dans les alliages, appelé régime superdiffusif basé sur la dynamique de Lévy, peut être observé à des échelles spatiales et temporelles spécifiques. Il s’agit d’un régime intermédiaire entre les régimes balistique et diffusif. Plusieurs méthodes thermiques théoriques et expérimentales ont été proposées pour modéliser la superdiffusivité. Pourtant, de nombreuses caractéristiques prédites par celles-ci n'ont pas été observées expérimentalement. Cela représente toujours un défi dans le transport thermique pour de nombreuses applications à l'échelle nanométrique. Dans ce contexte, nous avons développé un capteur thermique spectral à large bande, qui combine des mesures de thermoréflectance dans les domaines temporel et fréquentiel (TDTR et FDTR), en but d’étudier ce régime non-Fourier dans certains semi-conducteurs.Premièrement, la bande passante thermique de la technique TDTR est limitée par le transport thermique dans le transducteur, déposé au-dessus du matériau d'intérêt. Ainsi, nous avons étudié la transparence thermique de plusieurs films métalliques pour optimiser la nature et l'épaisseur du transducteur. Dans la deuxième partie, nous avons développé un capteur à large bande basé sur la combinaison FDTR/TDTR qui permet de mesurer à notre connaissance la plus large réponse thermique des matériaux sur 8 décades, de 10 kHz jusqu'à 1 THz. Par conséquent, cela permet également d'atteindre une résolution temporelle ultime de la réponse thermique transitoire. Nous avons ensuite effectué à travers le capteur des mesures et identifié des propriétés thermiques dans une gamme de valeurs de conductivité thermique de films minces allant de 10-1 à 102 W/m/K. Dans la troisième partie, la mesure analysée avec un modèle basé sur la dynamique de Lévy a permis de mettre en évidence la présence de transport thermique non diffusif dans les alliages InGaAs. Ensuite, nous avons étudié la réponse thermique du matériau modèle GeMn incorporant des nanoinclusions, qui devrait présenter un comportement quasi-balistique. Enfin, nous avons développé une technique d'imagerie TDTR ultrarapide afin d'étudier le transport thermique dans le plan. Ce qui rend notre banc de mesure capable de réaliser une étude thermique dans le plan et hors du plan.