Soutenance de thèse : Markos POULOS

Gestion thermique à l'échelle nanométrique avec des matériaux 2D: simulations atomistiques

Doctorant : Markos POULOS 

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon
École doctorale : n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

La miniaturisation continue des dispositifs a entraîné une augmentation des problèmes de dissipation thermique ainsi que de la densité des interfaces, posant ainsi des défis importants pour la stabilité thermique des dispositifs. La gestion de la chaleur est donc devenue un enjeu central, et la compréhension du transport thermique à l'échelle nanométrique constitue un facteur clé. Néanmoins, à mesure que la taille des systèmes approche l'échelle du nanomètre, la modélisation du transport de la chaleur par la loi classique de Fourier devient de plus en plus inefficace en raison des phénomènes de transport des phonons dépendant de la taille. Ce travail étudie le transport thermique à l'échelle nanométrique à l'aide de simulations avancées de Dynamique Moléculaire (MD), afin d'analyser le transport de la chaleur et les propriétés des phonons dans des structures à base de matériaux à 2 dimensions (2D), comme le graphène et les Dichalchogenures des Métaux de Transition (TMD's), qui offrent des opportunités pour l'ingénierie de la résistance thermique interfaciale et le contrôle du flux de chaleur à l'échelle nanométrique. Une formulation précise du flux de chaleur dans les simulations MD utilisant des potentiels interatomiques à plusieurs corps est également développée et appliquée aux systèmes étudiés. Dans la première partie, les effets de la température et de la taille sur les propriétés phononiques et thermiques du graphène sont examinés, tandis que l'effet du nombre de couches sur les phonons du graphène est également exploré. Le graphène présente une dépendance remarquable de la conductivité thermique à la taille, tandis qu'un écoulement hydrodynamique de type Poiseuille a été observé dans des nanorubans de graphène de largeur finie. Dans la deuxième partie, les propriétés phononiques et thermiques dans les hétérostructures de graphène perforé et vierge sont étudiées, révélant l'absence de Résistance Thermique lnterfaciale (ITR) et la présence d'un flux de chaleur asymétrique sous de forts gradients de température. Les effets de la taille et de la température sur ces phénomènes sont également analysés, et des stratégies visant à maximiser la rectification thermique sont proposées. Dans la dernière partie, les hétérostructures latérales MoS2/WS2 sont étudiées, mettant en évidence la présence d'une ITR et d'un flux de chaleur asymétrique sous des conditions fortement hor-équilibre. L'étude explore comment la diffusion interfaciale des phonons, due à un désaccord spectral entre les phonons du MoS2 et du WS2, ainsi que la forte dépendance en température des propriétés phononiques, influencent l'RTI et conduisent à un flux de chaleur asymétrique. Cette recherche met en évidence la manière dont les propriétés des matériaux, telles que la composition et la géométrie, influencent la conductivité thermique et les voies de dissipation énergétique. Les résultats apportent de nouvelles perspectives sur les mécanismes de transfert de chaleur à l'échelle nanométrique et suggèrent des stratégies de conception pour les nano-dispositifs de nouvelle génération, performants et thermiquement stables.