PROJET D'INSTRUMENT THERMOACOUSTIQUE FEMTOSECONDE

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PROJET DE MICROSCOPE THERMO ACOUSTIQUE OJEROPEERCIQ FEMTOSECONDE A HAUTE RESOLUTION SPATIALEMTCO ATEONTIA André Louineau *é Lo ** Consultant indépendant Cndép 1 AA..LLouineau. FEEMMTTO-ST.18/066//2200009 PROOJET D’INNSSTRUMENNTT THERMMOOACOUSTTIIQUE Ce projet porte sur le développement d’un instrument thermoacoustique roje déme innt co femtoseconde à haute résolution spatiale particulièrement destiné à la se à rén pèresti caractérisation des nanomatériaux et des dispositifs submicroniques .térdesaté desitificro . Ce programme se situe dans la continuité des travaux de Femto-St dans le rog seanntins deSt domaine de l’instrumentation thermoélastique pour le contrôle non destructif.inetruon élasourrôlestr L’utilisation optimale de technologies existantes devrait permettre de réaliser isatmach exs dperde un inssttrruument avveec une rrééssolution tteemmporelle dde 160 ffss et une rréésolution spatiale de 150 nm.ale nm Cet équipement destiné à être utilisé à terme dans le cadre de projets éqnt à tilisrme le de exogèènnees du RTTBB * réponndd à une foorrttee demanddee en mattiièèrre de carraacctérisationn thermique quantitative.iqutita * Dans le souci d’élargir au maximum les domaines d’utilisation.ns ’élarximmainatio A.Louineau. FEMTO-ST.18/06/2009 2 A.

Informations

• Publié par: louineau
• Publié le: 18 octobre 2013
• Nombre de lectures: 30
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

PROJET DE MICROSCOPE THERMO ACOUSTIQUE
FEMTOSECONDEAHAUTERESOLUTION SPATIALE

*Consultant indépendant

André Louineau *

A.Louineau. FEMTO-ST.18/06/2009

1

PROJETD’INSTRUMENT THERMOACOUSTIQUE

Ce projet porte sur le développementd’un instrumenttehoarmuscoqutie
femtoseconde à haute résolution spatiale particulièrementdestiné à la
caractérisation des nanomatériaux et desdispositifs submicroniques .

Ce programme se situedans la continuité destravauxde Femto-St dans le
domaine de l’instrumentation thermoélastiquepour le contrôlenon destructif.

L’utilisation optimale detechnologies existantes devrait permettre de réaliser
un instrument avec une résolution temporelle de 160fset une résolution
spatiale de150 nm.

Cet équipement destiné à être utilisé à terme dans le cadre de projets
exogènes du RTB * répondàuneforte demandeen matière de caractérisation
thermiquequantitative.

*Dansle souci d’élargirau maximum lesdomainesilisation. tu’d

A.Louineau. FEMTO-ST.18/06/2009

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NANOMATERIAUX : BESOINS D’OUTILS NOUVEAUX

L’optimisationetlacontrôle des propriétés physiquesdes nanomatériaux nécessitent
impérativement dedisposer d’ instruments de caractérisation utilisables dès le stade
de la R etD.

La manipulation des na et la mesureno objetsde leurs propriétés électriques
et thermiques sont encore et beautrès difficilescoupde phénomènes parasites
rendent peufiables lesrésultatsexpérimentaux.

Il existedonc un besoin denouveaux outils à haute résolutiontemporelle et spatiale
pourlacaractérisationélectrique et thermique sans contactà l’échelle nanométrique.

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CARACTERISATION THERMIQUE DESDISPOSITIFSSUBMICRONIQUES

Besoin d’instruments à haute résolution temporelle et spatiale pour l’observation
etl’analysedes phénomènesthermiques localisés.
Fonctionnement affe decté parsphénomènes thermiques apparaissantquand les
dimensions sontinférieures au libre parcours moyendes phonons dans le silicium
( ≈100 nm à300K).
Exemple : «Hot Spots» de dimensionscaractéristiques ~100nm diminuant
avec laréductiondesdimensions.
Conséquences:dégradation des performances et de la fiabiliténotamment
danslecas de dispositifs sur SOI où les phénomènesthermiques sont confinés
dansunecouche deSI de 50 nm d’épaisseur.

Non- Equilibrium Phonon Distribution in sub-100 nm Silicon Transistors.S.Sinha et al. . J. Heat Transfer. Vol. 128 (2006).

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NON UNIFORMITE THERMIQUE ET FIABILITE

Ali Shakouri. Thermique des nanosystèmes et nanomatériaux. Cargese. Mai 2008

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LES NANOMATERIAUX

Lesnanomatériauxsont constituésd’un assemblage d’objets élémentaires ayant
aumoins unedimension inférieure à 100 nanomètres.

Objets denaturemétallique ousemiconductrice sontdetype: 0D( nanoparticules ),
1D ( nanofils, nanotubes), 2D ( nanofilms).

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NANOMATERIAUX : REMARQUES GENERALES

Le domaine des nanomatériaux ne caractéris see pas seulementparla
réduction desdimensions élémentairesmais aussipar une approche nouvelle
de la synthèse des matériaux permettant de créer individuellementdes
structures dont lespropriétés physiques peuvent être contrôlées .

Il devient alors possible d’ajuster les propriétés de
mesure».

ces matériaux «sur

Le contrôle deces propriétés est une opérationdélicate carelles dépendent
non seulement de la nature et desdimensions des objets élémentaires mais
également de leur mode d’assemblage ainsi que deleur structure (grains,
interfaces, défauts,impuretés).

Cette optimisationnécessite notamment une étude très fine des différents
mécanismes dediffusionintervenant dans le transport thermique.

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THERMOELECTRICITE:OPTIMISATIONDESPROPRIETESDES MATERIAUX

Lesrecherchesdans ledomaine de la Thermoélectricitéoffrentun bon exemple de
développementdenanomatériaux.

- Le rendement thermoélectrique d’un matériau
dépend du facteurdemérite: ZT=(σS2/K).T
où S estle coefficient de Seebeck*.

* S V/T
=

- On chercheà diminuer laconductivité thermique
K sans dégrader la conductivité électriqueσ.

- Lastructuration des matériaux à base de super

réseaux permet de faire varier indépendamment
lestroisparamètresσ,S et K.

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NANOMATERIAUX A BASE DE SUPER RESEAUX

Un super réseau est une structure 2D dans laquelle la période duréseau
est imposée pendantla croissance du cristal.
Période constituée des 2 matériaux avec uneépaisseur allant de quelques
angströmsàquelques dizaines de nanomètres.
La période est assez petite pour que les effets quantiques liésau confinement
seproduisent :
- Augmentation de la mobilité des porteurs ainsi que du coefficient de Seebeck,
- Diffusion additionnelle des phonons acoustique qui diminue la conductivité
thermique du réseau.

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PHENOMENESFONDAMENTAUX: GRANDEURSCARACTERISTIQUES

Les phénomènes fondamentaux à la basedes propriétés électriques
et thermiques des matériaux seproduisentsurune échelle de temps
femtosecondeavecune échellespatialenanométrique :

Interactions e-e
(diffusion)
< 500 fs

Interactions e-ph

0,5-10 ps

Période d’oscillation
Phonons optiques
0,02-1 ps

Transfertde
chaleur

10 ps-1ns

Grandeurs caractéristiquesdes porteursd’énergie dans lessolides (à 300K)

Typede
matériau

Métaux
Semi
conducteurs
Diélectriques

Libre parcours
moyen (électrons)

0,1-1 nm
10-100nm

-

Longueur de
cohérence de phase
(électrons)
15-40 nm
30-90 nm

-

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Libre parcours
moyen (phonons)

10 nm
10-100 nm

5-10 nm

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