Mesurer quantitativement et observer à l’échelle nanométrique les phénomènes thermiques sur des nano-objets est réalisable grâce au Scanning Thermal Microscope. Avec ce microscope à sonde locale, nous différencions la conductivité thermique de films d’épaisseurs nanométriques constitués de deux types de molécules de la même famille. Cette étude expérimentale et théorique permet de corréler la conductivité thermique avec la structure atomique des molécules et leur organisation dans un film mince.
La mesure des propriétés thermiques à l’échelle du nanomètre suscite de plus en plus d’intérêt pour caractériser les nano-objets (molécule individuelle, monocouche, matériau 2D ou matériau 1D), mais également pour suivre le fonctionnement de nano-composants électroniques (transistor). Nous avons utilisé le Scanning Thermal Microscope (SThM), un microscope issu de la grande famille des microscopes à sondes locales, pour caractériser thermiquement et à l’échelle du nanomètre des films organiques avec une épaisseur comprise entre 40 et 400 nm. Deux types de films ont été caractérisés, constitués chacun d’une molécule différente ; l’une composée de quatre cycles et nommée BTBT, l’autre molécule possède en plus du BTBT deux chaines alkyles de 8 atomes de carbones ajoutées de part et d’autre de la molécule (nommée C8-BTBT-C8).
L’étude par SThM de ces matériaux permet d’accéder à la fois à la topographie de la surface à l’échelle du nanomètre et également de mesurer à un endroit précis de la surface la conductivité thermique du film. Cette valeur de conductivité est obtenue directement après une phase de calibration sur des échantillons de conductivité thermique connue. Les films de BTBT et C8-BTBT ont des conductivités thermiques de 0,6 – 1,3 W m−1 K−1 et 0,3 – 0,7 W m−1 K−1 respectivement, montrant l’impact de la chaine alkyle sur les modes de vibrations des molécules et donc sur la conductivité thermique. Ces différences de conductivités thermiques ont été reliées à l’organisation des molécules dans le film à l’aide de calculs théoriques réalisés à l’Université de Mons (Belgique), à l’Institut Catalan des Nanosciences et Nanotechnologies (Barcelone, Espagne) et l’université de Cagliari (Italie). Ces travaux ouvrent des opportunités sur l’utilisation du SThM en nanotechnologie, mais également sur l’étude de ces matériaux organiques pour la thermoélectricité.
En savoir plus :
https://dx.doi.org/10.1039/D0NR08619C
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03135025v1
