Caractérisation de matériaux nanostructurés par microscopie thermique à sonde locale associée à une méthode inverse

Les nanotechnologies exigent des méthodes spécifiques de caractérisation pour les nanosystèmes et les nanomatériaux. Une compréhension avancée du transfert de chaleur à l’échelle nanométrique et des propriétés thermiques des matériaux nanostructurés est cruciale pour l’innovation de nouveaux matériaux. Les propriétés thermiques des couches minces ont été minutieusement explorées pour divers matériaux, et la microscopie thermique à sonde locale (SThM), basée sur la microscopie à force atomique (AFM), s’avère être un outil essentiel pour étudier localement le comportement de ces matériaux et les mécanismes de transfert de chaleur à l’échelle micro/nanométrique. Ce projet vise à évaluer les propriétés thermiques locales de matériaux nanostructurés. A cette fin, deux échantillons à la nanostructures enterrée ont été spécialement conçus. Le premier présente une marche triangulaire subsurfacique en SiO2 déposée sur un substrat en silicium, recouverte de SiO2 CVD poli. L’interface SiO2/Si est linéaire, avec une épaisseur variant entre 400 et 2150 nm. Le second est composé de trois marches de SiO2 d’une épaisseur de 260 nm recouvertes d’une couche de SiO2, déposées sur un substrat de silicium. Ces deux géométries différentes visent à étudier la réponse de la microsonde en terme de structuration interne de l’échantillon et ainsi évaluer la conductivité thermique locale du SiO2. Pour obtenir des informations thermiques sur les matériaux nanostructurés, le microscope thermique (SThM) doit être équipé d’un capteur thermique, permettant l’acquisition simultanée d’images topographiques et thermiques. Une sonde thermosensible micrométrique en Wollaston a été sélectionnée à cette fin. Pour interpréter les résultats expérimentaux de SThM, un modèle de transfert de chaleur par la méthode des éléments finis (FEM) du système sonde-échantillon a été développé pour (a) étudier l’impact de la structure de l’échantillon sur le signal thermique de la sonde, et (b) caractériser la conductivité thermique locale. A partir du modèle numérique, une technique inverse a été mise en œuvre en utilisant l’algorithme Levenberg-Marquardt combinant deux méthodes inverses : la méthode de Gauss-Newton et la méthode de descente conjuguée, pour évaluer la conductivité thermique locale à partir des puissances dissipées par la sonde. Cela a permis de déduire celle de la couche de SiO2 d’épaisseur variable sur le substrat de silicium. Le modèle numérique, basé sur le couplage électrothermique de la sonde/échantillon, évalue le flux dissipé par l’élément thermorésistif et vers l’échantillon. La comparaison entre la simulation et les mesures expérimentales démontre que le modèle reproduit les profils thermiques expérimentaux pour l’échantillon avec une épaisseur variable de SiO2. Il est à noter que la conception de l’échantillon assure une résistance thermique de contact constante à chaque point de mesure. Nos résultats montrent une diminution de la conductivité thermique avec l’épaisseur de la couche de SiO2. Ces constations ont été confirmées par une analyse supplémentaire effectuée sur une nanostructure présentant une configuration distincte. Il en résulte que le matériau, au-delà de 1400 nm, adopte un comportement similaire à celui d’un échantillon massif, tandis qu’en dessous de cette valeur, la conductivité thermique que nous avons pu quantifier dépend de l’épaisseur du matériau.