Understanding thermal transport in advanced nanophononic structures for energy applications - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Understanding thermal transport in advanced nanophononic structures for energy applications

Understanding thermal transport in advanced nanophononic structures for energy applications

Mohammad Hadi
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1374743
  • IdRef : 268843457

Résumé

The hazardous effects of pollution have many aspects such as health effects and environmental changes. The main source of pollution is the emission of toxic gases from energy sources like fuel and coal. Numerous fields of research attempt to tackle the addressed problems. We are here interested in photocatalysis as a promising way for producing a green source of energy. In this thesis, we investigate the concept of nanostructured materials for the optimisation of thermal energy distribution in order to thermally boost the photo-induced processes. This process, taking place at the interface between optics (photons) and thermics (phonons), belongs to the field of phoxonics. To this aim, in the framework of an "Idex Lyon Breakthrough" project called IPPON, " Incoherent light and Phonon management in micro-nanopatterned materials for efficient depollution and artificial PhOtosyNthesis.", we have investigated thermal transport in nanosructured amorphous SiN thin films, by means of pump-probe techniques to measure thermal conductivity and understand the microscopic mechanisms below thermal transport in such materials. As a first research axis, we report the study of the effect of the temperature deposition on the thermal conductivity in amorphous SiNx films of thicknesses between 200 and 500 nm, as measured by the thermoreflectance technique with temperatures up to 773~K. Surprisingly, for all deposition temperatures between 300 and 573~K, thermal conductivity exhibits a steep decrease above 473~K, decreasing by more than 30% down to a minimum around 673~K, before increasing back to values comparable with the room temperature one. This behavior, observed only for a first heating of the sample, is associated to an irreversible modification of the thin film, and may be related to a partial desorption of the hydrogen trapped in a-SiNx during the deposition. A second research axis has been to investigate directly the quasiparticle responsible for heat transport, the phonon, in order to understand the effect of nanostructuration on its individual properties (energy and lifetime). The study shows that the reduction of the phonon lifetime in the nanostructured material as compared to the uniform material can be ascribed to the increase of the phonon scattering from the interfaces. Our work shows that the phonon lifetime reduction strongly depends on phonon wavelength, as related to the typical nanostructure lengthscale. As such, depending on phonon wavelength, the ratio between the lifetime in the nanostructured material and the uniform one ranges between 10 to 60%.
La réduction de la pollution est un des grands défis de notre siècle pour notre société et pour l'environnement. La principale source de pollution est l'émission de substances toxiques gazeuses provenant de sources d'énergie fossiles. Les procédés photocatalytiques offrent des solutions alternatives pour la dépollution, le stockage et la production d'énergie en minimisant l'empreinte écologique. Dans cette thèse, nous étudions l'intérêt de la nanostructuration de la matière pour optimiser l'activation thermique des processus photo-induits. Cette nano-structuration étant déjà optimisée pour les processus photoniques, l'objectif est de concevoir la nano-structure à l'interface entre l'optique (photons) et la thermique (phonons), on parle alors de phoxonique. Pour cela, dans le cadre d'un projet "IDEXLYON Scientific Breakthrough" nommé "IPPON:Incoherent light and Phonon management in micro-nanopatterned materials for efficient depollution and artificial PhOtosyNthesis.", nous avons travaillé sur l'étude de la thermique dans des substrats de SiN nano-structurés via des approches pompe-sonde pour mesurer la conductivité thermique et comprendre les mécanismes microscopiques de transport de la chaleur. Le premier axe du travail de thèse a été l'étude de l'effet de la température de dépôt sur la dépendance en température de la conductivité thermique de films de SiNx amorphe d'épaisseurs comprises entre 200 et 500 nm. Étonnamment, la conductivité thermique présente une forte diminution en chauffant au-dessus de 473 K, diminuant de plus de 30% jusqu'à un minimum autour de 673 K, avant de retrouver des valeurs comparables à la température ambiante. Ce comportement, observé uniquement pour un premier cycle de chauffage de l'échantillon, est associé à une modification irréversible du film mince, et a été relié à une désorption partielle de l'hydrogène piégé dans a-SiNx lors du dépôt. Le second axe du travail est dédié à l'étude microscopique de la propagation des particules élémentaires du transport thermique, les phonons, dans les membranes de SiNx amorphe nanostructurées. L'objectif est d'étudier l'effet de la nano-structuration sur la propagation des phonons en fonction de leurs propriétés individuelles (longueur d'onde et énergie). L'étude montre que la réduction de la durée de vie des phonons dans le matériau nanostructuré dépend fortement de la longueur d'onde des phonons au regard des dimensions caractéristiques de la nanostructure. Ainsi, le rapport des durées de vie des phonons entre le matériau nanostructuré et le matériau uniforme varie de 10 à 60% en fonction de la longueur d'onde.
Fichier principal
Vignette du fichier
TH2022HADIMOHAMMAD.pdf (3.77 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04544733 , version 1 (13-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04544733 , version 1

Citer

Mohammad Hadi. Understanding thermal transport in advanced nanophononic structures for energy applications. Physics [physics]. Université de Lyon, 2022. English. ⟨NNT : 2022LYSE1045⟩. ⟨tel-04544733⟩
7 Consultations
0 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More