Etude des matériaux nanostructurés par SThM: microscopie à sonde locale

La nanotechnologie nécessite des techniques de caractérisation des nanosystèmes et des nanomatériaux. Depuis une vingtaine d’années, la nanotechnologie révèle de nouveaux besoins pour la compréhension et la gestion de la distribution de chaleur à l’échelle micro/nanométrique et dans les structures à l’échelle nanométrique. Le développement de nouveaux matériaux nécessite une connaissance avancée dans le domaine du transfert de chaleur à l’échelle nanométrique et des propriétés thermiques des matériaux nanostructurés. La microscopie thermique à balayage (SThM) basée sur la technique de microscopie à force atomique (AFM) est un outil visant à étudier les mécanismes de transfert de chaleur à l’échelle micro / nanométrique. L’objectife principal consiste en l’évaluation de la température et/ou les propriétés thermiques du matériau étudié à l’aide d’une sonde SThM possédant un élément thermorésistif à l’extrémité. Cette sonde thermique nous permet d’avoir accès simultanément à des images topographiques et thermiques avec une résolution spatiale micrométrique voire submicrométrique. Deux types de sondes thermorésistives ont été utilisés (micro-sonde en Wollaston et nano-sonde en Palladium) dans le but d’étudier l’influence de la structure de l’échantillon sur le signal thermique mesuré et d’évaluer l’effet du volume sondé sur les mesures de conductivité thermique. Pour cela, des échantillons composés de marches en silicium placées en dessous d’une couche de SiO2 poli ont été spécifiquement fabriqués. En parallèle des modèles numériques modélisant le comportement thermique de chaque type de sondes utilisées ont été développés, afin de pouvoir déduire par la suite la conductivité thermique d’une zone scannée à partir de grandeurs physiques comme la température moyenne de la sonde et la puissance dissipée dans cette dernière en appliquant des méthodes inverses. Le modèle numérique de la sonde en Wollaston basé sur la méthode des éléments finis est réalisé à l’aide du COMSOL Multiphysics, tandis que celui de la nano- sonde en Palladium repose sur une méthode analytique et donc des fonctions de transfert. Les deux modèles ont été capables de reproduire des profils expérimentaux obtenus par SThM, d’estimer la sensibilité du signal thermique à la structure interne des échantillons étudiés et donc,en d’autres termes, d’évaluer la conductance thermique qui correspond au volume sondé et enfin estimer le temps de réponse de la sonde en fonction des variantes physiques et géométriques du système sonde/échantillon (modèle analytique).

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