Jury:

• Emmanuel DUBOIS, Directeur de Recherche, Université de Lille (Directeur de thèse)
• Sebastian VOLZ, Director of Research, The University of Tokyo (Rapporteur)
• Séverine GOMES, Research Director, CETHIL (UMR 5008), Lyon (Examiner)
• Jean-François ROBILLARD, Associate Professor, University of Lille (Examiner)
• Thomas SKOTNICKI, Research Director, CEZAMAT, Varshava (Thesis co-supervisor)
• Nicolas HORNY, Senior Lecturer, University of Reims Champagne-Ardenne (Rapporteur)

Summary:

Ce travail de thèse est consacré au développement de mécanismes pratiques pour le guidage de chaleur dans des nanostructures de silicium de faible dimension. Les applications vont du domaine de la gestion thermique des circuits intégrés aux technologies et matériaux thermoélectriques émergents à base de Si, dans lesquels le guidage thermique de la chaleur peut jouer un rôle important.

Une série de plates-formes de caractérisation thermique de taille micrométrique a été conçue et fabriquée. L’objectif est d’étudier expérimentalement la faisabilité d’une anisotropie de conductivité thermique (k) dans le plan, induite artificiellement, des membranes nanostructurées en Si. L’expérience repose sur la variation de l’angle du flux de chaleur (0 °, 30 °, 45 °, 60 °, 90 °) par rapport aux réseaux de motifs. En combinant la thermométrie Raman, la modélisation optique (Rigorous Coupled Wave Analysis) et la modélisation par éléments finis (FEM), il a été possible de mesurer le gradient thermique, la conductance de la membrane et de déterminer les conductivités thermiques effectives. Le caractère isotrope / anisotrope du flux de chaleur est clairement démontré. Les motifs sont caractérisés par le rapport des pas de répétitions du réseau suivant les deux directions principales (r) avec les valeurs: [1, 1.2, 1.6, 2, 2.5]. Le rapport d’anisotropie des conductivités thermiques est mesuré à 2,2 (pour r = 2,5) et 1,9 (pour r = 2). En outre, une réduction d’un facteur 25 de la conductivité thermique, par rapport à la valeur du matériau massif a été observée pour le motif r = 2,5: k_yy = 6 ± 0,6 W/(mK). Cette expérience confirme la possibilité d’induire artificiellement une anisotropie élevée de k; dans des membranes en silicium. L’origine et les applications possibles des effets thermiques observés sont discutées. Enfin, un modèle FEM paramétré conçu à dessein a démontré la mise en œuvre possible des effets anisotropes induits dans le domaine de la gestion thermique des circuits intégrés.

Abstract:

This thesis work is devoted to the development of practical mechanisms for the heat guiding in silicon low-dimensional nanostructures. The motivation comes from both the field of IC thermal management and emerging technology of Si-based thermoelectric devices, where directional heat guiding can play a an important role.

A series of micrometre-sized thermal characterization platforms was designed and fabricated. The objective is to study experimentally the feasibility of artificially-induced in-plane anisotropy of effective thermal conductivity (k); in Si patterned membranes. The design of experiment that relies on varying the angle of heat flow (0°, 30°, 45°, 60°, 90°) with respect to patterns’ lattices is used. By the combined use of micro Raman Thermometry, Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) and Finite Element Modeling (FEM) it was possible to measure the thermal gradient, membrane conductance and determine effective thermal conductivities. The isotropic/anisotropic character of the heat flow is clearly demonstrated. The patterns are characterized by the lattice pitch ratio (r) with the values: [1, 1.2, 1.6, 2, 2.5]. The ratios of the principal k values were found be up 2.2 (for r=2.5) and 1.9 (for r=2). Besides, 25-fold reduction of the thermal conductivity, as compared to the bulk value, was observed for r=2.5 pattern: k_yy= 6±0.6W/(mK). This experiment confirms the possibility to induce artificially high anisotropy of k; in Si PhMs almost not changing the filling fraction and the diameter of lattice nanoholes. The causes of origins and possible applications of the observed thermal effects are discussed. Finally, purposefully designed parametrized FEM model demonstrated the possible implementation of the induced anisotropic effects in the area of IC thermal-management.