Présentation

Article

1 - INSTRUMENTATION ET MODES DE FONCTIONNEMENT

2 - ANALYSE DU SIGNAL ÉLECTROTHERMIQUE

3 - CONCLUSIONS, DERNIÈRES TENDANCES ET CHALLENGES

4 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : R2770 v2

Conclusions, dernières tendances et challenges
Microscopie thermique à balayage (SThM)

Auteur(s) : Séverine GOMES

Date de publication : 10 mai 2023

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

Version en anglais En anglais

RÉSUMÉ

Cet article présente un ensemble de techniques de microscopie thermique à balayage (SThM) dédiées à l’imagerie thermique des surfaces, ainsi qu’à l’analyse de la température de surface, des propriétés thermophysiques de matériaux et des mécanismes physiques de transfert thermique aux échelles micro et nanométriques.

Il met l’accent sur l’une d’entre elles : la SThM à sonde résistive. La technique y est décrite en détails : son instrumentation et ses différents modes opératoires, les paramètres d’influence de la mesure, ainsi que les stratégies proposées pour réaliser des mesures thermiques localisées, y compris les méthodologies d’étalonnage des sondes.

Des conseils de bonne pratique sont donnés tout au long de l’article. Il est également question de présenter les principaux défis et les limites de la technique SThM, ainsi que les tendances actuelles pour son développement.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

ABSTRACT

Scanning thermal microscopy

This article presents a set of scanning thermal microscopy (SThM) techniques dedicated to the thermal imaging of surfaces as well as the analysis of surface temperature, material thermophysical properties and heat transfer physical mechanisms at micro and nanoscales. It focuses on one of them: the SThM using resistive probes.

The technique is described in detail: its instrumentation and its different operating modes, the parameters influencing the measurement as well as the strategies proposed to carry out localized thermal measurements, including the current calibration methodologies applied to resistive probes.

Advices of good practice are given throughout the article, which also gives the main challenges and limitations of the SThM technique and the current trends for its development.

Auteur(s)

  • Séverine GOMES : Directrice de Recherche CNRS Centre d’Énergétique et de Thermique de Lyon, Université de Lyon, CNRS, INSA Lyon, CETHIL, UMR5008, (France)

INTRODUCTION

Au cours des trente dernières années, les nanosciences et les nanotechnologies ont conduit à des besoins croissants de connaissance fondamentale en thermique et énergétique à des échelles de plus en plus petites, allant du micromètre au nanomètre. En particulier, le développement de nouveaux matériaux et systèmes dépend de progrès significatifs dans la compréhension du transport de l’énergie à ces échelles. Les activités technologiques et commerciales de nombreux secteurs industriels tels que les semi-conducteurs, l’aéronautique, l’aérospatiale et les technologies de l’information sont profondément concernées.

Des mesures thermiques précises à des échelles inférieures à 30 nm sont par exemple incontestablement nécessaires à la caractérisation et l’optimisation des propriétés des matériaux nanostructurés tels que les interphases et les super-réseaux (multicouches à l’échelle nanométrique), les matériaux nanoporeux, les nano-objets et les nanomatériaux tels que le graphène, les nanotubes de carbone ou les nanofils qui sont d’ores et déjà intégrés dans des composites et composants. Il s’agit également de mieux comprendre les mécanismes de défaillance dans les composants électroniques ou optoélectroniques dont la conception reste souvent basée sur des analyses théoriques sans vérification expérimentale appropriée. Ces mesures permettront par ailleurs d’améliorer la précision et la validité des outils de simulation pour les technologies ultra-intégrées.

Outre le transport d’énergie, tout phénomène impliquant des échanges d’énergie et d’entropie avec l’environnement, tels que les modifications des structures atomiques ou des domaines magnétiques, nécessite ou induit d’une certaine manière une dissipation de chaleur ou un refroidissement. Cela inclut les changements de phase et les réactions chimiques et biochimiques. L’analyse thermique à l’échelle nanométrique devrait permettre l’étude de ces phénomènes ultralocalisés.

Dans ce contexte, développées pour l’imagerie thermique, les mesures thermiques et l’étude des phénomènes de transport thermique aux micro et nanoéchelles, la technique SThM (Scanning Thermal Microscopy) est une méthode prometteuse. Elle est aujourd’hui une technique qui fait partie intégrante du paysage de la micro et de la nanothermique : sa résolution thermospatiale latérale peut être inférieure à 50 nm. Cette microscopie est basée sur le principe de mise en interaction en contact ou de proximité d’une sonde de très petite dimension avec l’objet à caractériser, la sonde et l’objet ayant une température différente.

Actuellement principalement basée sur l’AFM (Atomic Force Microscopy), elle bénéficie de ses capacités à positionner avec une très grande précision la sonde par rapport à la structure étudiée tout en contrôlant la force entre les deux objets. Le vecteur de l’information d’intérêt est le flux de chaleur échangée entre la pointe et l’échantillon, ce flux étant dépendant de la différence de température entre la sonde et l’échantillon, ainsi que des propriétés thermophysiques de ce dernier.

En SThM, la sonde AFM est donc non seulement utilisée comme un palpeur de force, mais également comme un détecteur de la quantité de chaleur échangée entre la sonde et l’échantillon. Si différents phénomènes physiques et/ou paramètres thermodépendants peuvent être exploités pour cette détection (couple électrique entre une pointe métallique et la surface électriquement conductrice de l’échantillon, dilatation de la surface de l’échantillon, effet bilame au niveau de la sonde AFM…), la sonde AFM en SThM est généralement équipée d’un capteur thermique à proximité ou à l’extrémité de sa pointe. On se focalise dans cet article sur les pointes intégrant un élément thermosensible résistif étant donné que ces sondes sont les plus utilisées.

Les instruments de SThM restent encore aujourd’hui essentiellement commercialisés comme des instruments d’imagerie des surfaces ; le contraste de l’image dite « thermique » donnant, soit une cartographie de l’échauffement en surface d’un échantillon actif (un point chaud en surface d’un composant électronique par exemple), soit une cartographie de la quantité de chaleur échangée entre la pointe résistive chauffée par effet Joule et l’échantillon initialement froid. Dans le second cas, l’image thermique peut refléter le contraste de la conductance thermique de la zone située immédiatement sous la surface de l’échantillon, laquelle dépend des propriétés du transport de chaleur au sein du volume de matériau sondé. Cette imagerie ne fournissant qu’une information qualitative sur l’état thermique de l’échantillon, elle reste souvent insuffisante dans le cadre de l’optimisation des fonctionnalités et des propriétés thermophysiques de systèmes et de matériaux du fait d’une interaction entre la pointe et l’échantillon très complexe.

La SThM est encore aujourd’hui l’objet de nombreux développements instrumentaux et méthodologiques ainsi que de recherches tant fondamentales qu’applicatives : une technique de mesure thermique aux nanoéchelles est visée. La première partie de cet article est dédiée à l’instrumentation et aux différents modes opératoires de cette microscopie. La seconde partie analyse les facteurs d’influence sur le signal mesuré et les méthodologies utilisées pour étalonner la technique afin de réaliser des mesures thermiques. Les défis ainsi que les tendances actuelles du développement de la SThM sont pour finir discutés.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

KEYWORDS

measurement   |   heat transfer   |   temperature   |   Calibration   |   scanning thermal microscopy   |   thermal imaging

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-r2770


Cet article fait partie de l’offre

Mesures physiques

(119 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Présentation
Version en anglais En anglais

3. Conclusions, dernières tendances et challenges

3.1 Métrologie à l’échelle submicronique

HAUT DE PAGE

3.1.1 Mesure de température

Des mesures de température ont d’ores et déjà été démontrées par SThM sur des systèmes de très petites dimensions.

  • À l’échelle micrométrique, l’étalonnage de la SThM consiste en fait en une transposition de celui utilisé pour la mesure en contact de la température aux échelles plus élevées. Pour minimiser l’erreur sur la mesure, il convient de disposer d’un échantillon d’étalonnage dont les propriétés de surface correspondent aux mieux à celles de l’échantillon à caractériser. La mesure doit être réalisée dans les mêmes conditions expérimentales que l’étalonnage.

  • Pour les échelles nanométriques, la méthode du flux nul et la méthode de double passage en contact ont été démontrées. L’erreur sur la mesure reste cependant élevée (> 20 %) car de nombreuses hypothèses sont considérées. La méthode de double passage en contact est sans doute la plus aboutie car elle permet de s’affranchir des effets de surface sur la mesure de température. Elle nécessite cependant un environnement de mesure contraignant (vide poussé). Les recherches actuelles concernent sa transposition pour des sondes dont l’élément thermosensible est étendu et le développement d’échantillons de référence.

  • En plus des méthodes SPM actuellement utilisées, une autre technique appelée Thermal Radiation Scanning Tunneling Microscopy (TR-STM) semble prometteuse pour la mesure de température aux échelles nanométriques. Dans ce mode SPM, le rayonnement thermique émis par l’échantillon...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 92% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Mesures physiques

(119 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Conclusions, dernières tendances et challenges
Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - WILLIAMS (C.), WICKRAMASINGHE (H.) -   Scanning thermal profiler.  -  Applied Physics Letters, 49(23), p. 1587-1589 (1986).

  • (2) - BINNIG (G.), ROHRER (H.), GERBER (C.), WEIBEL (E.) -   Surface studies by scanning tunneling microscopy.  -  Phys Rev Lett, 49, p. 57-61 (1982).

  • (3) - BINNIG (G.), QUATE (C.F.), GERBER (C.) -   Atomic force microscope.  -  Phys Rev Lett, 56, p. 930-3 (1986).

  • (4) - GOMES (S.), ASSY (A.), CHAPUIS (P.O.) -   Scanning thermal microscopy: A review.  -  Physica status solidi, (a). 212(3), p. 477-494 (2015).

  • (5) - DINWIDDIE (R.B.), PYLKKI (R.J.), WEST (P.E.) -   Thermal conductivity contrast imaging with a scanning thermal microscope.  -  Thermal conductivity, 22, p. 1016 (1994).

  • (6) - ZHANG (Y.), DOBSON (P.S.), WEAVER (J M.R.) -   High...

ANNEXES

  1. 1 Annuaire

    1 Annuaire

    Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)

    Centre national de compétences en Nanosciences du CNRS, C’Nano – CNRS.

    https://cnano.fr

    Laboratoire National de Métrologie et d’Essais, LNE.

    https://www.lne.fr/fr/

    Groupe De Recherche « NAnoMaterials for Energy applications » du CNRS, GDR NAME, Thèmes T2 : Propriétés de transport et A2 : Mesures/Métrologie.

    https://gdrname.wordpress.com/themes-et-axes-du-gdr-name/

    Institut de métrologie de république tchèque (Czech metrology institute, CMI).

    https://www.cmi.cz

    HAUT DE PAGE

    Cet article est réservé aux abonnés.
    Il vous reste 92% à découvrir.

    Pour explorer cet article
    Téléchargez l'extrait gratuit

    Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


    L'expertise technique et scientifique de référence

    La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
    + de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
    De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

    Cet article fait partie de l’offre

    Mesures physiques

    (119 articles en ce moment)

    Cette offre vous donne accès à :

    Une base complète d’articles

    Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

    Des services

    Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

    Un Parcours Pratique

    Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

    Doc & Quiz

    Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

    ABONNEZ-VOUS