Description du sujet de thèse

Description du sujet de thèse

Mots clés. Matériaux 2D : graphène, hBN, dichalcogénures, hétérostructures latérales/verticales, transport thermique au-delà de la loi de Fourier, conductivité thermique anisotrope, dynamique moléculaire.

Contexte : Le XXIe siècle est celui des nano-dispositifs. Ces dispositifs, allant des nano-transistors aux nano-capteurs et nano-antennes, ont permis à l’humanité d’exploiter pleinement les capacités technologiques des systèmes électroniques, thermiques, magnétiques et autres. Ils ont également progressivement intégré le quotidien de l’individu grâce aux progrès de la miniaturisation, de la standardisation des procédés de fabrication et de la production à grande échelle. Cependant, on observe que la tendance à la miniaturisation exponentielle dans le domaine de la microélectronique, connue sous le nom de loi de Moore, a été stoppée. L’une des principales raisons est le problème de dissipation de la chaleur dans les nano-dispositifs. Une gestion thermique plus efficace à l'échelle nanométrique est actuellement l'une des principales préoccupations de la communauté scientifique, non seulement dans le contexte de la miniaturisation, mais aussi pour répondre aux problématiques de consommation énergétique et de gestion des pertes thermiques des dispositifs de nouvelle génération. Les matériaux 2D, notamment le graphène, le nitrure de bore hexagonal (hBN) et les dichalocogénures, se sont révélés être d'excellents candidats pour une gestion thermique efficace dans les nanodispositifs. Dans le domaine du transport thermique, lorsque l'échelle de longueur caractéristique du dispositif devient comparable au libre parcours moyen ou à la longueur d'onde des porteurs de chaleur, tels que les vibrations du réseau (phonons), le transport thermique dépasse la loi de Fourier (régime balistique ou hydrodynamique), tandis que les propriétés thermiques des nanomatériaux deviennent ajustables. À cette fin, les hétérostructures 2D verticales et latérales ou les matériaux 2D fonctionnalisés présentent des propriétés très recherchées, telles que l'anisotropie thermique et une large gamme de valeurs de la conductivité thermique, pour la conception et la fabrication de composants thermotroniques tels que les diodes thermiques et les conducteurs permettant le contrôle du flux thermique. Il est indéniable que la simulation et la modélisation de tels systèmes sont d’une importance capitale pour une meilleure compréhension des processus physiques sous-jacents et l’optimisation des nano-dispositifs de nouvelle génération.

Verrous Scientifiques: Le principal défi consiste à modéliser et simuler des matériaux 2D fonctionnalisés incorporant des trous ou des régions amorphes, ainsi que des hétérostructures verticales et latérales réalistes, afin de proposer aux expérimentateurs de nouvelles stratégies pour obtenir une dissipation thermique directionnelle. L'objectif global du consortium du projet ANR BF2D est de réaliser une diode thermique à haut rendement.

L'objectif de cette thèse est de réaliser une analyse théorique des propriétés de transport thermique d'hétérostructures 2D latérales et verticales en utilisant des simulations atomistiques dans le cadre de l'optimisation de la gestion thermique des nanodispositifs. L'objectif de ce travail sera d'étudier la conductivité thermique et les propriétés de transport de phonons de ces structures (divers matériaux 2D, tels que le graphène, le hBN et les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC)). Une étude des effets de l'environnement chimique (c'est-à-dire l'oxydation et les dopants), des défauts (ingénierie des défauts), des interfaces matérielles (résistance de Kapitza) et des contraintes mécaniques (straintronique) sur la conductivité thermique et les propriétés des phonons sera réalisée.

Approche et méthodes : L'outil de simulation principal pour cette étude sera la dynamique moléculaire (MD), dans laquelle les atomes sont traités de manière classique selon les équations du mouvement de Newton, tandis que les liaisons chimiques sont modélisées par des potentiels interatomiques connus. Les propriétés des phonons seront étudiées à l'aide de la méthode k-Space Velocity Autocorrelation Sequence (kVACS), tandis que les conductivités thermiques seront étudiées à la fois selon le formalisme de Green-Kubo et en utilisant la dynamique moléculaire hors équilibre (NEMD). Des calculs ab initio supplémentaires seront effectués si nécessaire pour étudier les liaisons dopantes et les interfaces atomiques lorsqu'il n'existe pas de potentiels interatomiques classiques adaptés aux calculs MD.

Contexte de travail

Le/La doctorant.e sera accompagné.e pour mener un projet ambitieux dans le domaine de la physique et de l'ingénierie du solide, visant à développer des matériaux pour la gestion de l'énergie thermique. Son travail comprendra des formations dédiées lui permettant d'acquérir des compétences en gestion de projet, en travail d'équipe, en communication des résultats, ainsi qu'un savoir-faire technique pour réaliser des simulations atomistiques haute performance. Elle/Il travaillera pendant trois ans dans le cadre d'un projet collaboratif, qui pourrait inclure des séjours dans des laboratoires participant au projet ANR BF2D (I. NEEL, LOMA, IMPMC, ONERA). Elle/Il deviendra un spécialiste du domaine et un.e expert.e à consulter pour orienter la recherche de nouvelles stratégies sophistiquées de gestion de la chaleur à l'échelle nanométrique. Ces travaux apporteront de nouvelles perspectives sur le transfert de chaleur au sein des matériaux nanostructurés, enrichiront et amélioreront les modèles développés dans les laboratoires partenaires et mettront en évidence des éléments clés pour l'optimisation de la fabrication de dispositifs thermotroniques. Le/la doctorant.e renforcera les synergies émergentes entre les activités de simulation du groupe « MiNT » du CETHIL, spécialiste internationalement reconnu dans le domaine de la nanothermique, avec les experts en simulations ab-initio du laboratoire IMPMC.