Advanced Nano-Engineering to Transport Heat in Ultra-thin Membranes (2D materials)

Nano-ingénierie avancée du transport de la chaleur dans des membranes ultra-minces (matériaux 2D) Les travaux de recherche présentés dans cette thèse s'inscrivent dans des travaux menés au C2N. Mon sujet de thèse porte sur le transport de chaleur dans des matériaux dit bidimensionnels. Ces matériaux ont des très fortes liaisons dans deux dimensions de l'espace et de très faibles liaisons (de type Van der Waals) dans la troisième dimension. Cette asymétrie a de fortes conséquences en terme de propriétés thermiques. Tout d'abord, la conductivité thermique de ces matériaux va s'en trouver anisotrope. Dans le plan avec les fortes liaisons, celle-ci va être très élevée tandis que dans la direction perpendiculaire, elle peut atteindre les plus petites valeurs observées dans des solides. En outre, le régime de transport de la chaleur dévie du régime classique suivant la loi de Fourier. Ce sont les raisons qui nous ont poussé à s'intéresser aux propriétés thermiques de ces matériaux. Ma thèse s'est décomposée en deux parties.Dans un premier temps, je me suis intéressée au transport thermique dans du hexagonal Boron Nitride (hBN) qui est un matériau bidimensionel avec une très grande conductivité thermique et une très faible conductivité électrique. J'ai suspendu des matériaux bidimensionnels entre deux poutres chauffantes espacées de 8 microns. À l'aide de mesures de température réalisées avec un spectromètre Raman, j'ai pu déterminer une conductivité thermique de 1650 ±550 W.m⁻¹.K⁻¹ dans une structure de hBN à basse température (aux alentours de -50 °C). Pour ce faire, j'ai comparé les gradients de température expérimentaux mesurés à travers les structures aux gradients de température que j'ai déterminés à l'aide de simulations Comsol. Cette valeur de 1650 ±550 W.m⁻¹.K⁻¹ est une valeur record pour ce matériau et provient du fait que le hBN utilisé est isotopique.J'ai confirmé la procédure expérimentale en réalisant la même expérience sur un échantillon de graphite donnant une conductivité thermique en adéquation avec celles obtenues dans la littérature. Lors de mesures similaires sur un autre échantillon, j'ai observé des gradients de température incohérents avec la loi de Fourier. Cette mesure a été faite autour de la température ambiante. Nous en avons déduit que l'échantillon se trouvait dans un régime où le transport thermique ne suivait plus le modèle classique. Dans un second temps, je me suis intéressée à la possibilité de réaliser de très grands gradients de température à travers des matériaux bidimensionnaux. En fabriquant des hétérostructures de hBN¹¹/MoS₂/WSe₂/hBN¹⁰ chauffées avec un laser de haut en bas, j'ai pu étudier le transport thermique dans la direction des liaisons de type Van der Waals. Une différence en température de 75 °C a été observée sur une distance de 1,5 nm entre le MoS₂ et WSe₂. Cette valeur est extrêmement importante. Cette grande différence en température est à relier à la faible conductance thermique d'interface entre ces deux matériaux et à la forte puissance appliquée à l'échantillon. En utilisant un modèle issu de la littérature comportant une dépendance en conductance thermique d'interface, j'ai pu simuler des gradients de températures au sein de matériaux chauffés par un laser. Ceci m'a permis de simuler des spectres Raman similaires à ceux mesurés. J'en ai déduit des conductances thermiques d'interface environ quatre fois plus faibles entre le MoS₂ et WSe₂ que mesurées dans la littérature (inférieures à 5 MW.m⁻¹.K⁻¹ à opposer à 9 MW.m⁻¹.K⁻¹. J'ai aussi examiné la différence de transport thermique en fonction de l'angle entre ces mêmes matériaux.