Micro et nanothermique - Méthodes de caractérisation et de mesure

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.