Caractérisation thermique de matériaux nanostructurés par microscopie à sonde locale (SThM)
Nathaly Chaaraoui, Nathalie Trannoy, Maher Janda, Thierry Duvaut
: nathalie.trannoy@univ-reims.fr
Université de Reims Champagne Ardenne
Mots clés : SThM, techniques inverse, sonde Wollaston, materiaux nanostructurés
Résumé :
Les nanotechnologies nécessitent des techniques de caractérisation pour les nanosystèmes et les nanomatériaux. Le développement de nouveaux matériaux demande une connaissance avancée des transferts de chaleur à l’échelle nanométrique et de leurs propriétés thermiques en particulier lorsqu’ils sont nanostructurés ou en couches minces.
Notre travail vise à étudier les propriétés thermiques locales de matériaux nanostructurés. Pour cela, un échantillon nanostructuré a été spécialement conçu. Il consiste en une marche de de forme triangulaire déposée sur un substrat de silicium et recouverte de CVD poli. L’interface de la couche /Si est oblique et linéaire avec une épaisseur évolutive entre 400 et 2150 nm.
Pour notre étude, nous utilisons un microscope thermique à balayage muni d’une sonde thermique. La microscopie thermique à balayage (SThM) basée sur la technique de la microscopie à force atomique (AFM) est un outil permettant d’étudier les propriétés thermiques ainsi que les mécanismes de transfert de chaleur à l’échelle micro/nanométrique. Cette technique nous permet d’obtenir simultanément des images topographique et thermique. Dans un premier temps, les études ont été réalisées avec la microsonde en Wollaston. Parallèlement à l’expérience, nous avons développé un modèle de transfert de chaleur par FEM du système sonde-échantillon [1] pour interpréter les résultats expérimentaux obtenus par SThM et étudier l’influence de la structure de l’échantillon sur le signal thermique de la sonde.
Le modèle numérique du système sonde/échantillon, basé sur le couplage électrothermique, permet d’évaluer les différents flux dissipés par la sonde, en particulier, le flux dissipé par le filament thermorésistif et celui dissipé vers l’échantillon. Grâce à ce modèle, nous avons été capables de reproduire les profils thermiques expérimentaux pour notre échantillon nanostructuré. Il est à noter que la conception de cet échantillon permet d’avoir la même résistance thermique de contact en chaque point de mesure. A partir de ce modèle numérique, nous avons appliqué une technique inverse par l’intermédiaire d’un nouveau modèle afin de déterminer la conductivité thermique à partir de la puissance dissipée par la sonde vers l’échantillon. Cette phase fait appel à la comparaison des résultats expérimentaux à ceux obtenus par le modèle développé. Nous avons pu ainsi déduire la conductivité thermique locale de la couche de d’épaisseur variable déposée sur le substrat de silicium.
Il en résulte que la conductivité thermique du diminue en fonction de son épaisseur. Celle-ci est d’autant plus faible que la couche de est fine. De cette évolution, la valeur de 1,023 W/m.K a été obtenue pour une épaisseur de 576 nm de et est confirmée par la littérature [2]. Au-delà d’une épaisseur de 1400 nm la couche de se comporte un échantillon massif avec une valeur de conductivité de 1.38 W/m.K.
[1] P. Al Alam, Local probe thermal microscopy: Towards thermal analysis of nanomaterials, PhD thesis, University of Reims Champagne Ardenne, (2018)
[2] T. Yamane, N. Nagai, and S. Katayama, Measurement of thermal conductivity of silicon dioxide thin films using a 3ω method, J. Appl. Phys. 91 (2002)
Work In Progress