Étude théorique de l'anisotropie du transport thermique dans des nanostructures à base de silicium et de germanium

Overview & Synopsis

Le transport thermique dans les nanostructures semi-conductrices est un sujet de recherche très actuel, couvrant de larges domaines applicatifs dont l’auto-échauffement des composants nanoélectroniques et la conversion d’énergie par effet thermoélectrique. La modélisation du transport thermique à l’échelle nanométrique est complexe car la longueur des dispositifs devient du même ordre de grandeur que le libre parcours moyen des porteurs de chaleurs (phonons). L’hypothèse de pseudo-équilibre local n’est plus pertinente, de plus des effets de confinements peuvent aussi apparaitre. Il faut donc développer des outils de modélisation spécifiques.Pour prendre en compte les effets de confinement, j'ai calculé les relations de dispersions des phonons dans les nanostructures. Pour cela, j’ai mis en œuvre une méthode atomistique semi-empirique nommée ABCM (« Adiabadic Bond Charge Model »). J’ai pu ainsi calculer, dans l'ensemble de la zone de Brillouin (« Full Band »), la dispersion des phonons dans du silicium et du germanium en phase Zinc-Blende et aussi en phase Wurtzite.En outre, afin d’évaluer la résistance thermique d’interface, une extension originale du modèle « Acoustic Mismatch Model », entièrement « full-band », a été développée. Grâce à l’approche « Full-Band » la dépendance à l’orientation relative des cristaux de chaque côté de l’interface a été étudiée. Les effets d’orientations sur la transmission ont aussi été étudiés dans des nanofils polyphasés nouvellement synthétisés dans le laboratoire.En parallèle, pour étudier le transport des phonons, j'ai développé un simulateur Monte Carlo particulaire qui utilise les dispersions « Full-Band » calculées en ABCM. Ce type de simulateur est très polyvalent et permet de décrire l’ensemble des régimes de transports (du balistique au diffusif). De plus, comme il utilise une dispersion « Full-Band » les effets de confinement peuvent aussi être inclus. Ce simulateur m’a permis d’étudier les effets d’un changement d’orientation des plans cristallographiques du cristal sur la conductivité thermiques dans des nanofils de silicium et de germanium. J’ai ainsi évalué l’anisotropie du flux thermique dans ces nanostructures.