Investigation of the thermal conductivity tuning of solid materials for energy-efficient systems using scanning thermal microscopy
Analyse de l'ajustement de la conductivité thermique de matériaux solides pour la gestion du transfert de chaleur dans des systèmes par microscopie thermique à sonde locale
Résumé
One potential solution for system thermal management is to utilize or create nanostructured or nanocomposite materials, as they can exhibit a tuned thermal conductivity. Two types of materials developed in this direction were studied in this thesis. They are amorphous chromium disilicide (CrSi2) thin films on substrate that were modified by implantation with Ne and Al ions at room temperature and at 250°C for thermoelectric applications, and bulk polymer nanocomposites where nanofillers (expanded graphite (EG), multiwall carbon nanotubes (MWCNTs), and MXene) are used to enhance the polymer thermal conductivity for electronic applications (as an example). Scanning thermal microscopy (SThM) is used to analyze the heat conduction within both the types of material as a function of their microstructure change. Estimations of the contribution of phonons and electrons to the heat conduction in CrSi2 in its amorphous phase and for ion-implanted amorphous CrSi2 were obtained. These results combined with the analyses of the material microstructure show a decrease of the material thermal conductivity for all the studied CrSi2 samples, more pronounced for ion-implantation at 250°C. Based on scientific literature this decrease is attributed to implantation induced defects clusters that are energy carrier scattering centers, phonon path disruption by atom mass contrast and nanocrystallites, created due to a radiation-enhanced phase transformation process at 250°C, with depletion zones for electrons located at their boundaries. For the case of Ne-implantations, observed Ne bubbles that are additionally induced by the ion-implantation also lead to phonon scattering. For polymer nanocomposites, thermal conductivity SThM measurements combined with the analyses of the material microstructure allow to verify that the introduction of carboneous fillers increases the heat conduction in materials while the filler concentration increases. A new analytical model, which allows the thermal conductivity estimation in the case of MWCNTs- multiphase PVDF based composites, is proposed and results are compared with SThM measurements. Main findings show that the β phase of PVDF, created because MWCNTs introduced in the PVDF matrix act as nucleation centers for β phase-PVDF, explains the increase of the thermal conductivity of the nanocomposite.
Une solution potentielle pour la gestion thermique de systèmes consiste à utiliser ou à créer des nanomatériaux de conductivité thermique ajustée. Cette thèse analyse l'ajustement de la conductivité thermique de deux types de matériaux développés dans cet objectif: des couches minces de CrSi2 amorphe sur substrat modifiées par implantation avec des ions de néon (Ne) et d’aluminium (Al) à température ambiante et à 250°C pour des applications thermoélectriques, et des polymères nanocomposites massifs où des nanocharges en carbone sont utilisées pour améliorer la conductivité thermique du polymère pour des applications électroniques (par exemple). La microscopie thermique à balayage (SThM) est utilisée pour analyser la conduction thermique dans les deux types de matériaux en fonction de leur changement de microstructure, induit par l’implantation ionique dans diverses conditions pour le CrSi2 et par l’ajout de nanocharges pour les polymères nanocomposites. Des estimations de la contribution des phonons et des électrons à la conduction thermique dans le CrSi2 dans sa phase amorphe et pour des échantillons de CrSi2 amorphe implantés par des ions ont été obtenues. Ces résultats, combinés à des analyses de la microstructure des matériaux, montrent une diminution de la conductivité thermique du CrSi2 pour tous les échantillons étudiés. Cette diminution est plus prononcée pour les implantations avec des ions à 250°C. D’après la littérature scientifique, cette diminution est attribuée aux amas de défauts, induits par l’implantation, qui agissent comme des centres de diffusion des porteurs d’énergie, à la perturbation du trajet des phonons du fait d’un contraste de masse atomique entre les ions implantés et ceux du CrSi2 et à des nanocristallites, créées grâce à un processus de transformation de phase (cristallisation de la phase amorphe du CrSi2) à 250°C et ayant des zones de déplétion pour les électrons situés à leur frontière Dans le cas des implantations avec des ions Ne, les bulles de gaz observées et induites par l’implantation ionique conduisent également à la diffusion des phonons. Pour les nanocomposites polymères, les mesures SThM de conductivité thermique, combinées à des analyses de la microstructure permettent de vérifier que l’introduction de charges carbonées augmente la conduction thermique dans les matériaux lorsque la concentration de charge augmente. Un nouveau modèle analytique qui permet l’estimation de la conductivité thermique des nanocomposites de PVDF multiphasiques à base NTCMPs s, est proposé et les résultats sont comparés aux mesures SThM. Les principaux résultats montrent que la phase β du PVDF, créée parce que les NTCMPs s introduits dans la matrice PVDF agissent comme des centres de nucléation pour la phase β du PVDF, expliquent l’augmentation de la conductivité thermique du nanocomposite.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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