Description du sujet de thèse

Contexte scientifique
Cette thèse vise à explorer la physique du transfert de chaleur au travers de nanocontacts secs et humides entre deux objets solides. Elle s’appuie sur des besoins identifiés pour la caractérisation de la conduction thermique dans les systèmes nanocomposites allant des systèmes nanostructurés aux particules uniques sur substrat. De nombreuses technologies à fort impact (systèmes électroniques, microscopie à sonde, méthodes de mesure thermique, lecteurs d’enregistrement magnétique assisté par chaleur...) sont concernées.
La dissipation de la chaleur dans les systèmes nanocomposites est contrôlée par la forte densité d’interfaces et de nanocontacts entre les différentes structures qui les constituent. Malgré de nombreuses études sur la conduction thermique dans de tels systèmes, aucun modèle validé expérimentalement n’a fourni une compréhension définitive du transfert de chaleur aux nanocontacts entre les structures solides impliquées. Du point de vue fondamental, le transport de chaleur est dit non Fourier et des processus de diffusion anharmonique et électron-phonon jouent des rôles essentiels et importants dans les systèmes précités. Par ailleurs, à l’air ambiant, des molécules d’eau sont adsorbées ou de l’eau peut se condenser sur les surfaces libres. Bien que l’eau soit un vecteur de transfert de la chaleur, on constate qu’elle est généralement négligée. La façon dont ce vecteur de transfert thermique entre en concurrence avec le transfert de chaleur solide-solide reste donc une question ouverte. Pour traiter cette problématique scientifique, nous proposons d’analyser plus en détail la physique de la conduction thermique à des nanocontacts secs et humides par le biais de simulations atomistiques et d’expériences à l’échelle nanométrique hautement contrôlées.

Projet de recherche
Dans ce contexte, le projet de thèse s’intéresse plus particulièrement à la détermination expérimentale de la valeur de la résistance thermique de frontière (TBR pour thermal boundary resistance en anglais) à des nanocontacts plus ou moins rugueux et de diamètre effectif variant de quelques nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres. Les travaux expérimentaux seront réalisés en améliorant et en appliquant un appareil combinant la microscopie électronique à balayage et la microscopie thermique à sonde locale. Il s’agira d’identifier avec précision les TBRs à des nanocontacts entre des matériaux présélectionnés pour permettre leur comparaison avec des résultats de simulations atomistiques réalisées par ailleurs.
L’analyse se concentrera sur des échantillons de trois matériaux massifs, choisis en raison de la nature des porteurs d’énergie (phonons ou électrons) qui leur sont relatifs et de leur avantage d’être moins sensibles à l’oxydation ; ceci permettant une comparaison modèle-expérience rigoureuse. Les mesures nécessiteront l’analyse de l’interaction mécanique et thermique entre de petites pointes auto-chauffées et les échantillons dans différentes conditions environnementales (humidité relative, pression, température). Il sera également nécessaire d’élaborer un protocole et un modèle de mesure thermique prenant en compte les paramètres les plus influents (forme de contact, rugosité, microstructure de l’eau...) pour le post-traitement des données mesurées.

Contexte de travail

Cette thèse sera réalisée dans le cadre d’un projet financé par l’ANR, le projet THACOS pour THermAl nanoCOntactS.
Le travail sera effectué sur le campus de la DOUA au Centre d’Energétique et de Thermique de Lyon (CETHIL) mais également à l’Institut Lumière et Matière (ILM).

Compétences recherchées
Vous avez un projet de recherche de Master en développement expérimental et mesure. Une expérience de la mesure et de la mesure AFM en champ proche et éventuellement (nano) thermique serait un plus. Curieux et ouvert d'esprit, vous êtes une personne connectée au banc expérimental, à l'aise avec la physique expérimentale, vous avez des connaissances en matériaux et en électronique et vous aimez les nanotechnologies disruptives. Enfin, vous êtes à l'aise en anglais, rigoureux, motivé par la prise de risque.

Les candidatures doivent inclure un curriculum vitae détaillé, une lettre de motivation, le dossier académique (notes) des 3 dernières années. Veuillez également fournir les noms de deux références (responsable des études, anciens encadrants...).