Soutenance de thèse : Sarah DOURI

Mise en place de références métrologiques pour la mesure de conductivité thermique par microscopie thermique à balayage

Doctorante : Sarah DOURI

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

La demande croissante de la gestion thermique dans diverses industries (énergie, micro et nanoélectronique...) a fait naître le besoin de techniques de caractérisation thermique fiables à l'échelle micro et nanométrique. La microscopie thermique à balayage (SThM pour « Scanning Thermal Microscopy » en anglais) est un outil intéressant pour la caractérisation des propriétés thermiques et l'étude des mécanismes de transfert de chaleur à ces échelles. Cependant, certains aspects métrologiques restent un défi pour la mesure quantitative et traçable de la conductivité thermique avec la technique SThM. L'objectif de ce travail est d'améliorer la métrologie associée à la mesure de la conductivité thermique avec le SThM pour obtenir des mesures quantitatives, traçables et fiables. L'une des principales contributions de ce travail est l'établissement d'un nouveau modèle 3D par la méthode en éléments finis (MEF) pour la deuxième génération de la sonde Palladium afin de décrire plus précisément la dissipation de la chaleur en son sein ainsi que les différents mécanismes de transfert de chaleur qui se produisent entre la pointe et l'échantillon. Les résultats de simulation révèlent l'influence de la résistance thermique d'interface sur la réponse thermique et la sensibilité de la technique à ce paramètre tant dans l'air que dans le vide. Le transfert de chaleur par conduction en régime balistique (au contact), qui est généralement négligé dans les modèles existants dans la littérature, a été intégré dans le modèle 3D. L'étude met en évidence la nécessité de prendre en compte ce transfert de chaleur lorsque les mesures sont effectuées dans le vide. Une étude comparative entre le modèle 3D MEF et le modèle analytique généralement utilisé expérimentalement pour étalonner les sondes résistives évalue l'applicabilité de l'approche analytique pour les mesures de conductivité thermique et met en évidence ses limites et les améliorations possibles. La partie expérimentale de ce travail se concentre sur l'amélioration de l'installation expérimentale du Laboratoire de mesure et d'essais et des protocoles de mesure pour une mesure plus précise et répétable (reproductible). En outre, une courbe d'étalonnage expérimentale est établie et l'incertitude associée est évaluée à l'aide d'une nouvelle approche. Les résultats montrent que les améliorations apportées à l'installation et aux protocoles de mesure réduisent l'incertitude associée au mesurande, diminuant ainsi l'incertitude associée à l'estimation de la conductivité thermique. L'analyse expérimentale met en évidence que des mesures quantitatives et traçables de la conductivité thermique (pour des échantillons où le transfert de chaleur est principalement diffusif) avec la technique SThM sont possibles pour les matériaux à faible conductivité thermique (actuellement limitée à la plage de 0,187 W.m-1.K-1 jusqu'à 10 W.m-1.K-1) avec une incertitude associée <20 % (k=2).