Transferts Thermiques Solide/Superfluide et aux Jonctions Micro-Nano

J. Amrit, A. Ramière, L. Yu, Y. Vaheb

 

Résistance thermique de Kapitza à l’interface silicium/hélium-4 superfluide

En étudiant la résistance thermique à l’interface entre un cristal de silicium en contact avec du superfluide, nous avons découvert le phénomène de diffusion résonante de phonons, prédit par Adamenko et Fuks [JETP, 1971]. La diffusion résonante est un processus sélectif qui se manifeste quand la longueur d’onde d’un phonon dans l’He (2-15 nm) devient comparable à la taille des rugosités de la surface du Si, mesurées indépendamment par AFM (Microscopie à force atomique) (voir Figure 1). Piégés par des rugosités, les phonons incidents finissent par se répandre à travers l’interface. Nous avons ainsi expliqué pour la première fois l’origine de la résistance thermique de Kapitza, recherchée depuis 70 ans. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Materials [1] et sur le site du CNRS : www.cnrs.fr/insis/recherche/actualites/2016/06/kapitza.htm. Les travaux originaux de Kapitza en 1940 sont ainsi réinterprétés. Les travaux sont effectués dans le cadre d’un programme de recherche conjoint avec l’Institut de Physique Nucléaire d’Orsay (approuvé par le CNRS) et en collaboration avec le CEA/Saclay/Irfu (C. Z. Antoine) car la résistance thermique est un facteur majeur limitant la performance des cavités supraconductrices des accélérateurs de particules (Amrit, conférence invitée, Italie, 2014). Une partie de cette recherche est soutenue par le Labex LaSIPS (projet émergent «ERéThiques Jonctions») et est effectuée dans le cadre de la thèse d’A. Ramière (Allocation UPSud, ED SMEMaG, nov. 2014).

Interface entre un solide classique et un cristal d’hélium-4 quantique

En mesurant la résistance thermique en fonction de la pression du superfluide, une transition du 1er ordre est mise en évidence pour la première fois lors de la cristallisation du superfluide (24 bars). Nous expliquons ces mesures par l’interaction dynamique des phonons thermiques avec les dislocations dans l’He solide [mécanisme de «fluttering», mis en évidence par Balibar à l’ENS Paris (2015) pour décrire l’origine de la plasticité géante du solide He-4] [2]. Ainsi notre étude montre que les dislocations constituent un degré de liberté supplémentaire afin de contrôler la résistance thermique. Ce travail est effectué en collaboration avec A. Ramière (Université de Tokyo).

Transport thermique en régime balistique dans des rubans par Monte Carlo

En absence des lois physiques, nous utilisons la méthode Monte Carlo pour mettre en évidence diverses caractéristiques de la propagation thermique en régime balistique où les collisions de phonons avec les parois sont dominantes. Ainsi, pour des nano rubans de silicium nous avons montré que la rugosité de surface permet de filtrer les phonons de haute fréquence [3] (voir Figure 2). C’est un résultat fort intéressant pour améliorer le facteur de mérite des dispositifs thermoélectriques. Un décalage systématique du spectre de phonons est également mis en évidence en présence d’un flux de chaleur. Nous avons nommé ce phénomène « blueshift ». Contrairement à toute attente, le décalage est plus important pour de faibles différences de températures. Certaines mesures de la conductance thermique des nanofils peuvent maintenant être réinterprétées. Dans le cas de Silicene (matériau 2D), l’importance des modes mécaniques de flexions est démontrée. Les études expérimentales en cours sont soutenues par le Labex LaSIPS (projet « Artémis »).

Optimisation des propriétés thermoélectriques de matériaux d’intérêt

Dans une recherche de matériaux thermoélectriques performants, nous avons calculé le facteur de mérite ZT pour différents matériaux [les pérovskites CsSnX3 (X = I, Br, Cl), les alliages Bi2Te3-xSe, les oxydes ZnO avec dopage en Al et la cellulose I-]. Les propriétés électroniques (conductivité, structure de bande, coefficient de Seebeck…) sont calculées par des méthodes ab initio en utilisant des logiciels ABINIT et BoltzTrap (qui résolvent les équations de transport de Boltzmann). Les propriétés thermiques sont déterminées par des outils de type ab initio (logiciel Phonopy) et par dynamique moléculaire (logiciel LAMMPS). L’influence des impuretés d’Al sur le ZT est quantifiée dans le cas de ZnO. Ce travail constitue la partie essentielle de la thèse de Lantao YU (Allocation UPSud, ED SMEMaG, mars 2018).

Figure 1 (a) Cellule expérimentale (b) Résistance thermique à l’interface Si/He en fonction de la pression à 0.78 K (c) Corrélation entre la rugosité de surface et la longueur d’onde d’un phonon du superfluide.
Figure 2 (a) Diffusion spéculaire et diffusion diffuse dans un ruban de Si. (b) Transmission de phonons est filtrée en fonction de la rugosité de surface.
  1. A. Ramiere, S. Volz and J. Amrit, “Thermal resistance at a solid/superfluid helium interface”, Nature Materials 15, 512–516 (2016) doi: 10.1038/nmat4574
  2. J. Amrit, A. Ramière and S. Volz, “Role of fluttering dislocations in the thermal interface resistance between a silicon crystal and plastic solid 4He, Physical Review, B 97, 014308 (2018); doi: 10.1103/PhysRevB.97.014308
  3. A. Ramiere, S. Volz and J. Amrit, “Geometrical tuning of thermal phonon spectrum in nano-ribbons”, Journal of Physics D: Applied Physics 49, 115306 (2016) doi:10.1088/0022-3727/49/11/115306

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