Transport Thermique : Solide/Superfluide et Micro-Nano Jonctions

J. Amrit, A. Ramière, L. Yu

Nos recherches se focalisent sur les transferts thermiques à micro/nano échelle aux interfaces et dans des MEMS MicroElectroMechanical Systems), à des températures inférieures à 2K.

 

Résistance thermique à l’interface entre le Silicium et Hélium-4 solide

L’analyse de nos mesures de la résistance thermique (Kapitza) entre un cristal de silicium et l’hélium superfluide sous pression a révélé que l’échange thermique à l’interface est dominé par une diffusion résonante des phonons. Ce mécanisme intervient quand la longueur d’onde d’un phonon dans l’hélium (2-15 nm) devient comparable aux rugosités présentent à la surface du silicium. Cette étude a été étendue au-delà de la pression de solidification d’hélium et une première mesure préliminaire a été effectuée au point minimum de la courbe de fusion de l’hélium-4 (i.e. T~0.078K et P ~25 bars). Les résultats montrent une chute abrupte de la résistance de Kapitza. Cette transition de premier ordre est due au changement de la densité de l’hélium (paramètre d’ordre), qui dans sa phase solide possède maintenant des phonons de polarisations transverses. Ainsi, le couplage entre les modes transverses de deux milieux est facilité à l’interface. Nos analyses montrent que le modèle de désadaptation acoustique n’explique pas complètement nos résultats ; en effet, le cône critique décrit dans ce modèle doit être plus élargi afin que le nombre de phonons susceptibles d’être transmis soit augmenté.

 

Transport thermique dans du Silicène : rôle des modes de flexions

Nous avons étendu nos études numériques par simulation Monté Carlo du transport thermique dans des rubans 2D (Ramière et al., Nanoenergy Letters, 2013) pour examiner le transport de phonons dans des jonctions entre deux membranes de silicène en suspension. Cette configuration structurelle se retrouve souvent en thermoélectricité et dans des applications faisant intervenir du graphène. Le silicène est un nouveau matériau bidimensionnel (synthétisé en 2010) composé d’atomes de Si dans un réseau en nid d’abeilles. En plus d’un mode de polarisation longitudinale et d’un mode de polarisation transverse, le silicène possède un mode de flexion (ZA) (hors-plan) du fait que le silicène est mécaniquement déformable. Notre analyse démontre bien le rôle important de phonons de polarisation ZA dans la conductivité thermique.

De plus nous avons mise en évidence une résistance thermique de constriction qui varie comme (d/D)1/2, où d est la largeur de la jonction et D est la longueur de la membrane. (Ramière et al., J. Phys.: Conf. Series, 2015). L’influence de la rugosité de surface est également prise en compte. La transmission en fréquence est également déterminée en fonction de (d/D).

Une jonction de largeur d entre deux membranes suspendues en silicène de longueur D (à gauche). La transmission de modes L pour différentes largeurs (centre), la transition dans la résistance de Kapitza à l’interface Si/He lors de la solidification de l’He (à droite).
Évolution de la température dans la membrane de gauche en fonction du temps. Le champ de température dépend de l’importance de la diffusion de phonons à l’interface et de la présence de la jonction à sa droite.

 

Transport Thermique à travers une constriction 3D en Silicium.

Suite aux travaux sur les rubans en silicium, nous allons étudier le transport thermique à travers une micro nano constriction en 3D. (stage M2 et de travail (partiel) de thèse, Lantao YU).

 

 

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