Ghadir OLLAIC de l'institut

Sujet de thèse

NANO-PCM - Étude thermique de matériaux à changement de phase à l'échelle nanométrique - Applications à la thermotronique, à l'informatique photonique, au stockage et à la récupération d'énergie.

Résumé :

Description de la problématique de recherche : Le projet Nano-PCM vise à caractériser les propriétés thermiques et les conductances thermiques d’interface (TBC) de différents matériaux à changement de phase (PCM) : VO2, Sb2S3 et GST avec pour objectif des applications en thermotronique et en nanophotonique (circuits intégrés photoniques) dans lesquels les propriétés thermiques sont un élément clé et souvent mal connues. Les PCM sont actuellement en train de révolutionner la nanophotonique (métasurfaces programmables, neurones reconfigurables [1, 2, 3, 4]) ou d’autres domaines tels les mémoires à changement de phase [5], les applications d’économie d’énergie (fenêtre intelligente thermochromique) [6] ou le stockage d’énergie [2, 7]. L’utilisation des PCM dans les circuits intégrés photoniques (PIC) visent le développement de commutateurs photoniques non volatils, constituant un pas en avant significatif dans la réalisation de processeurs tout optique [2]. Les applications utilisant ces matériaux se trouvent à l’intersection de la photonique, de la phononique, du génie moléculaire et des technologies électro-thermiques à l’échelle nanométrique. Parmi les différents PCM, le dioxyde de vanadium (VO2) est un matériau très étudié en raison d’une température de transition de phase proche de la température ambiante (Tc 68°C). C’est un matériau thermochromique avec des applications dans le stockage d’énergie, les économie d’énergie ou la fabrication d’électrodes. La transition de phase métal-isolant se produit sur un intervalle de temps très court et les propriétés électriques, optiques et thermiques subissent des variations abruptes, permettant d’envisager plusieurs applications technologiques prometteuses : capteurs thermiques, commutateurs optiques, électriques et thermiques, circuits intégrés photoniques, traitement de surfaces, ou encore la conception et la réalisation de composants thermotroniques. Cependant, la réalisation de tels dispositif passe par la connaissance précise des propriétés thermiques du matériau. Concernant le Sb2S3 et GST, ce sont des PCM permettant d’ajuster et de reconfigurer des fonctionnalités optiques sans aucune pièce mobile. De nouveaux systèmes exploitent ces propriétés des PCM tels que l’ajustement de l’émission, de la réflexion ou de l’absorption de lumière, les métasurfaces programmables ou les neurones reconfigurables [2], [8]. Pour pouvoir mieux contrôler ce processus, la connaissance des propriétés thermiques de ces matériaux est donc cruciale. De plus, des études récentes sur les matériaux à changement de phase ont montré l’importance des conductances thermiques d’interfaces ([9], [10], [11]). Cependant, les phénomènes thermiques et physiques en jeu lors de la variation de la TBC pendant le changement de phase doivent être mieux compris. Le projet NANO-PCM vise à améliorer la compréhension du transfert de chaleur dans les PCM, à caractériser leurs propriétés thermiques et notamment les conductances thermiques aux interfaces lors du changement de phase. Dans la mesure où ces propriétés sont mal connues, l’objectif est de fournir des solutions pour optimiser le transfert thermique et donc d’augmenter les performances de composants de thermotronique et de nanophotonique. Les différents matériaux seront fabriqués par les différents partenaires du projet et les caractérisations thermiques se feront par radiométrie photothermique infrarouge. Ce projet est financé par moitié par la Graduate School NANO-PHOT (École Universitaire de Recherche, PIA3, contract ANR-18-EURE-0013. 1. 10.1063/5.0028093, 2. 10.1016/j.isci.2023.107946, 3. 10.1002/adom.202001291, 4. 10.1021/acsphotonics.1c01833, 5. 10.1088/1361-6463/ab7794, 6. 10.1016/j.applthermaleng.2023.121074, 7. 10.1016/j.solmat.2022.111686, 8. 10.48550/arXiv.2306.17631, 9. 10.1038/s41598-019-45436-0, 10. 10.1109/LED.2008.2003012, 11. 10.1002/pssr.202100507.

Encadrant

Nicolas HORNY