Les différents cercles représentent les surfaces étudiées des membranes de Si :cristallin, rugueux, plat avec SiO2 natif, et rugueux avec du SiO2 natif. L'image de droite montre une carte thermique représentative sur les membranes lors d'une excitation thermique localisée utilisée pour mesurer la conductivité thermique.
Combinant une modélisation et des expériences atomistiques réalistes de pointe, un nouvel article décrit comment la conductivité thermique d'une membrane de silicium ultrafine est contrôlée dans une large mesure par la structure et la composition chimique de la surface. Une compréhension détaillée des connexions de la fabrication et du traitement aux propriétés structurelles et thermiques des nanostructures de faible dimension est essentielle pour concevoir des matériaux et des dispositifs pour la phononique, gestion thermique à l'échelle nanométrique, et applications thermoélectriques.
La capacité des matériaux à conduire la chaleur est un concept que nous connaissons tous dans la vie de tous les jours. L'histoire moderne du transport thermique remonte à 1822 lorsque le brillant physicien français Jean-Baptiste Joseph Fourier a publié son livre "Théorie analytique de la chaleur" ("La théorie analytique de la chaleur"), qui est devenu une pierre angulaire du transport de chaleur. Il a souligné que la conductivité thermique, c'est à dire., rapport du flux de chaleur au gradient de température, est une propriété intrinsèque du matériau lui-même.
L'avènement des nanotechnologies, où les règles de la physique classique échouent progressivement à mesure que les dimensions diminuent, remet en cause la théorie de la chaleur de Fourier de plusieurs manières. Un article publié dans ACS Nano et dirigé par des chercheurs du Max Planck Institute for Polymer Research (Allemagne), l'Institut catalan des nanosciences et nanotechnologies (ICN2) sur le campus de l'Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) (Espagne) et le Centre de recherche technique VTT de Finlande (Finlande) décrivent comment la topologie à l'échelle nanométrique et la composition chimique de la surface contrôler la conductivité thermique des membranes ultrafines de silicium. Le travail a été financé par le projet européen d'ingénierie des phonons à base de membranes pour la récupération d'énergie (MERGING).
Les résultats montrent que la conductivité thermique des membranes de silicium d'épaisseur inférieure à 10 nm est 25 fois inférieure à celle du silicium cristallin massif et est en grande partie contrôlée par la structure et la composition chimique de leur surface. Combinant une modélisation atomistique réaliste de pointe, techniques de fabrication sophistiquées, de nouvelles approches de mesure et une modélisation sans paramètres de pointe, les chercheurs ont découvert le rôle de l'oxydation de surface dans la détermination de la diffusion des vibrations quantifiées du réseau (phonons), qui sont les principaux caloporteurs du silicium.
Les expériences et la modélisation ont montré que l'élimination de l'oxyde natif améliore la conductivité thermique des nanostructures de silicium de près d'un facteur de deux, tandis que les réoxydations partielles successives l'abaissent à nouveau. Simulations de dynamique moléculaire à grande échelle avec jusqu'à 1, 000, 000 atomes ont permis aux chercheurs de quantifier les contributions relatives à la réduction de la conductivité thermique résultant de la présence de SiO2 natif et de la réduction de dimensionnalité évaluée pour un modèle aux surfaces parfaitement spéculaires.
Le silicium est le matériau de choix pour presque toutes les applications liées à l'électronique, où des dimensions caractéristiques inférieures à 10 nm ont été atteintes, par exemple. dans les transistors FinFET, et le contrôle de la dissipation thermique devient essentiel pour leur performance optimale. Alors que la baisse de la conductivité thermique induite par les couches d'oxyde est préjudiciable à la propagation de la chaleur dans les dispositifs nanoélectroniques, il deviendra utile pour la récupération d'énergie thermoélectrique, où l'efficacité repose sur l'évitement des échanges thermiques à travers la partie active de l'appareil.
La nature chimique des surfaces, donc, apparaît comme un nouveau paramètre clé pour améliorer les performances des nanodispositifs électroniques et thermoélectriques à base de Si, ainsi que celui des résonateurs nanomécaniques (NEMS). Ce travail ouvre de nouvelles possibilités pour de nouvelles expériences et conceptions thermiques visant à manipuler la chaleur à de telles échelles.
