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Article

1 - LA MICRO ET LA NANOTHERMIQUE

2 - MÉTHODES THERMIQUES DE CARACTÉRISATION MISES EN ŒUVRE

3 - DÉFIS ET DERNIÈRES TENDANCES

4 - CONCLUSION

5 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : R6801 v1

Méthodes thermiques de caractérisation mises en œuvre
Micro et nanothermique - Méthodes de caractérisation et de mesure

Auteur(s) : Séverine GOMES, Olivier BOURGEOIS, Nolwenn FLEURENCE, Stefan DILHAIRE, Remy BRAIVE, Stéphane GRAUBY

Date de publication : 10 févr. 2023

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RÉSUMÉ

La dissipation de la chaleur et la gestion thermique sont des défis centraux dans divers domaines de la science et de la technologie et également des problèmes critiques pour la majorité des dernières générations de dispositifs électroniques.

Suite à une introduction des différents mécanismes de transfert thermique aux micro et nano-échelles, cet article expose les techniques de caractérisation thermique actuellement dédiées à l’analyse de champs de température et à l’étude des propriétés thermiques aux échelles submicroniques. Il est également question de présenter les principaux défis et limites de ces techniques, ainsi que les tendances actuelles des développements en micro et nano-thermique.

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ABSTRACT

Micro and Nanoscale thermal science - Characterization and measurement methods

Heat dissipation and thermal management are central challenges in various fields of science and technology and are critical issues for the majority of the latest generations of electronic devices.

Following an introduction of the different heat transfer mechanisms at micro- and nano-scales, this article exposes the thermal characterization techniques currently dedicated to temperature field analysis and to the study of thermal properties at submicron scales. It is also about giving the main challenges and limitations of these techniques as well as current trends in developments in the micro- and nano-scale heat transfer domain.

Auteur(s)

  • Séverine GOMES : Directrice de recherche CNRS - Centre d’Énergétique et de Thermique de Lyon, Université Lyon, CNRS, INSA Lyon, UCBL1, CETHIL, UMR 5008, Villeurbanne, France

  • Olivier BOURGEOIS : Directeur de recherche CNRS - Institut Néel, CNRS, Université Grenoble Alpes, UPR 2940, Grenoble, France

  • Nolwenn FLEURENCE : Ingénieur de recherche LNE - Laboratoire national de métrologie et d’essais, LNE, Trappes, France

  • Stefan DILHAIRE : Professeur de l’université de Bordeaux - Université de Bordeaux, Laboratoire Ondes et Matière d’Aquitaine, CNRS, LOMA, UMR 5798, Talence, France

  • Remy BRAIVE : Maître de conférences de l’université Paris-Cité – Institut universitaire de France (IUF) - Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, IUF, Université Paris-Saclay, C2N, UMR 9001, Palaiseau, France

  • Stéphane GRAUBY : Professeur de l’université de Bordeaux - Université de Bordeaux, Laboratoire Ondes et Matière d’Aquitaine, CNRS, LOMA, UMR 5798, Talence, France - Cet article a été réalisé dans le cadre de l’axe « Nanothermique & Mesure » du Club nanoMétrologie, une initiative française créée par le C’Nano – CNRS et le LNE.

INTRODUCTION

La production de chaleur est la conséquence universelle de l’activité physique. La gestion thermique est donc au cœur de toutes les nouvelles technologies basées sur l’acquisition et le stockage d’information ou d’énergie. Dans ce cadre, les progrès rapides concernant la synthèse et le traitement de matériaux, dont la structure est à l’échelle nanométrique, ont créé une forte demande pour une meilleure compréhension scientifique du transport thermique dans les dispositifs micro et nanostructurés et les nanomatériaux. La miniaturisation des composants et des circuits électroniques et optoélectroniques, ainsi que l’augmentation des vitesses de commutation de ces composants, ont entraîné des problèmes de chauffage localisés aux micro- et nanoéchelles. La caractérisation en régime permanent et transitoire de la distribution de la température dans ces systèmes et leurs interconnexions à ces mêmes échelles est donc primordiale pour l’analyse des performances et de la fiabilité avant commercialisation.

Les sciences des matériaux et les technologies modernes sont de plus en plus consacrées au contrôle de la matière à l’échelle nanométrique. En nanostructurant les matériaux, leurs propriétés physiques peuvent être ajustées pour atteindre des performances optimales. C’est le cas des nanomatériaux utilisés pour la production d’énergie renouvelable (thermoélectrique, photovoltaïque), ou des composites structuraux. Par ailleurs, les interfaces entre les matériaux deviennent de plus en plus importantes aux petites échelles de longueur. Comment caractériser les transferts de chaleur au sein de ces systèmes dont les tailles caractéristiques avoisinent ou sont inférieures au libre parcours moyen des porteurs d’énergie ? Le présent article a pour objectif de répondre à cette question.

La gestion thermique aux micro et nanoéchelles reste un problème majeur dans beaucoup de domaines, en particulier en microélectronique. Elle impose notamment d’avoir accès à des techniques et des modèles de mesure compatibles avec les petites dimensions physiques du système ou du matériau, mais aussi de répondre à l’exactitude de mesure recherchée. Les méthodes de mesure traditionnelles deviennent cependant insuffisamment sensibles ou bien inadaptées aux micro et nanoéchelles en raison des limites de la physique mise en jeu. Les mécanismes physiques de transfert de la chaleur peuvent notamment être complètement différents de ceux à l’échelle macroscopique.

Ces limitations font encore aujourd’hui l’objet de recherches, tant fondamentales qu’applicatives. Cela a mené au développement d’une grande variété d’instruments que ce soit optiques, à sonde résistive déposée ou à sonde à balayage. Les objectifs de ces instruments sont la mesure, d’une part, de la température à l’échelle submicronique, d’autre part, des propriétés thermiques de couches minces et de nanomatériaux.

La première partie de cet article examinera les limites des lois classiques décrivant les mécanismes de transfert de chaleur et donnera les bases conceptuelles et théoriques nécessaires à la compréhension des enjeux actuels de la micro et de la nanothermique dans divers domaines. La seconde partie sera dédiée aux principes généraux, avantages et limites de différentes techniques dédiées à la mesure de la température et des propriétés de transport thermique aux micro et nanoéchelles. Les défis, dont les questions associées à la métrologie et à la science de la mesure, ainsi que les tendances actuelles des développements en micro et nanothermique seront pour finir discutés.

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KEYWORDS

Metrology   |   heat transfer   |   temperature   |   thermal study   |   micro scale heat transfer   |   nano scale heat transfer

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r6801


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2. Méthodes thermiques de caractérisation mises en œuvre

2.1 Principe général

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2.1.1 Paramètres caractéristiques d’une technique thermique

Sensibilité thermique : c’est le rapport de la variation de la réponse d’un instrument de mesure Sinst par la variation correspondante du paramètre thermique pth à mesurer. Au voisinage d’une valeur donnée de la grandeur thermique à mesurer, elle est définie par la relation s = dSinst /dpth .

Résolution thermique (unité de pth ) : c’est la plus petite variation du paramètre thermique pth pouvant être mesurée à un niveau de bruit donné. Elle sera d’autant plus grande que la sensibilité à ce paramètre est élevée.

Résolution thermique temporelle (en s) : durée minimum entre deux événements thermiques pouvant être séparés par une méthode donnée.

Résolution spatiale latérale (en m) : elle est définie comme étant la plus petite distance linéaire permettant de discerner deux structures proches de température ou de propriétés thermiques différentes. Elle dépend de la sensibilité thermique de la méthode, de la taille du pixel de l’image et/ou du pas de déplacement de l’échantillon. Elle est généralement en conflit avec le rapport signal-sur-bruit (RSB) du système imageur.

Limite de résolution spatiale (en m) : c’est la plus petite distance linéaire séparant deux points de température ou de propriétés thermiques différentes qu’un appareil permet de distinguer dans les meilleures conditions d’observation possibles.

Résolution thermospatiale latérale (en m) : cette résolution spatiale est la plus petite distance sur l’objet dont les points conjugués sur l’image sont distincts (figure 5). Deux points de l’image ne sont réellement distincts que si la température ou les propriétés thermiques des zones sondées associées à chaque point le sont effectivement et peuvent être déterminées...

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Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DATAS (A.), VAILLON (R.) -   Thermionic-enhanced near-field thermophotovoltaics.  -  Nano Energy (2019).

  • (2) - CARUSO (F.), NOVKO (D.) -   Ultrafast dynamics of electrons and phonons: from the two-temperature model to the time-dependent Boltzmann equation.  -  arXiv preprint arXiv:2202.07237 (2022).

  • (3) - CAHILL (D.G.), FORD (W.K.), GOODSON (K.E.), MAHAN (G.D.), MAJUMDAR (A.) MARIS (H.J.), …, PHILLPOT (S.R.) -   Nanoscale thermal transport.  -  Journal of applied physics, 93(2), 793-818 (2003).

  • (4) - CAHILL (D.G.), BRAUN (P.V.), CHEN (G.), CLARKE (D.R.), FAN (S.), GOODSON (K.E.), …, SHI (L.) -   Nanoscale thermal transport. II. 2003–2012.  -  Applied physics reviews, 1(1), 011305 (2014).

  • (5) - TERMENTZIDIS (K.) (Ed.) -   Nanostructured semiconductors: amorphization and thermal properties.  -  CRC Press (2017).

  • ...

NORMES

  • Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) – Determination of thermal diffusivity of monolithic ceramics by laser flash method ISO 18755 - ISO 18755 - 2005

  • Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method ASTM E1461-07. - ASTM E1461-07 -

  • Vocabulaire international de métrologie – Concepts fondamentaux et généraux et termes associés (VIM), JCGM 200:2012, BIPM, 3ème édition, (2012) - JCGM 200 - 2012

  • ISO/CEI Guide 98-1 Incertitude de mesure – Partie 1 : Introduction à l’expression de l’incertitude de mesure. - ISO/CEI Guide 98-1 - 2009

  • Évaluation des données de mesure – Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure (GUM) (voir Article 2) - JCGM 100 - 2008

  • Évaluation des données de mesure – Supplément 1 du « Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure » – Propagation de distributions par une méthode de Monte Carlo (voir Article 2) - JCGM 101 - 2008

  • ...

1 Brevets

Dispositif d’échantillonnage optique hétérodyne, PCT/FR2006002384 ; FR0510776 ; US2008251740A1 ; AT425445T ; JP2009512848A ; WO2007045773A1 ; EP1949055A1 ; FR2892511A1, 2006.

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2 Annuaire

Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)

Centre national de compétences en Nanosciences du CNRS, C’Nano – CNRS

https://cnano.fr

Laboratoire national de métrologie et d’essais, LNE

https://www.lne.fr/fr

Club nanoMétrologie, CnM

http://club-nanometrologie.fr

Groupe de recherche « NAnoMaterials for Energy applications » du CNRS, GDR NAME, thèmes T2 : propriétés de transport et A: mesures/métrologie

https://gdrname.wordpress.com/themes-et-axes-du-gdr-name/

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