Summary:

La compréhension des mécanismes de transport thermique dans les nanostructures et les nanomatériaux est primordiale pour optimiser leur utilisation dans les nano-dispositifs. En effet, les comportements et la fiabilité de ces nano-dispositifs dépendent fortement de la façon dont les systèmes dissipent la chaleur. De plus, les interfaces sont des éléments prépondérants dans la dissipation thermique. Dans ce travail, des simulations à l’échelle atomique sont réalisées pour déterminer les résistances thermiques d’interfaces. La méthode utilisée est la dynamique moléculaire ab initio, selon l’approche Car-Parrinello. Les propriétés thermiques sont déterminées en appliquant la méthode AEMD (Approach-to-Equilibrium Molecular Dynamics). L’AEMD est basée sur l’étude de transitoires de chaleur, ce qui permet de réduire les coûts de calcul et de pouvoir utiliser la dynamique moléculaire ab initio. Dans ce travail, je commencerai par présenter les méthodes que j’ai utilisées, c’est-à-dire la dynamique moléculaire de Car-Parrinello et la méthode AEMD. Ensuite, je présenterai une première application de cette combinaison au calcul de la résistance thermique d’une couche moléculaire entre deux réservoirs de chaleur. Les résultats obtenus sont confrontés à une expérience de caractérisation thermique par sonde locale. L’AEMD sera ensuite appliquée pour calculer la conductivité thermique du SiO2 amorphe. Cette étude me servira par ailleurs dans la dernière étape de mon travail qui consiste à calculer la la résistance thermique de l’interface abrupte entre le Ge2Sb2Te5 amorphe et le SiO2 amorphe. Un excellent accord avec la mesure permet de mettre en avant la prédictivité quantitative de l’approche de simulation utilisée.

Abstract:

Understanding the thermal transport mechanisms in nanostructures and nanomaterials is paramount to optimize their use in nano devices. Indeed, the behaviors and reliability of these nano devices strongly depend on the way the systems dissipate heat. Moreover, interfaces are preponderant elements in thermal dissipation. In this work, atomic scale simulations are performed to determine the thermal resistances of interfaces. The method used is ab initio molecular dynamics, according to the Car-Parrinello approach. The thermal properties are determined by applying the AEMD (Approach-to-Equilibrium Molecular Dynamics) method. AEMD is based on the study of heat transients, which allows to reduce the computational costs and to use ab initio molecular dynamics. In this work, I will first present the methods I used, i.e. the Car-Parrinello molecular dynamics and the AEMD method. Then, I will present a first application of this combination to the calculation of the thermal resistance of a molecular layer between two heat reservoirs. The results obtained are compared with a local probe thermal characterization experiment. The AEMD will then be applied to calculate the thermal conductivity of amorphous SiO2. This study will also be used in the last step of my work which consists in calculating the thermal resistance of the abrupt interface between amorphous Ge2Sb2Te5 and amorphous SiO2. An excellent agreement with the measurement allows to highlight the quantitative predictivity of the simulation approach used.