• Langue : Anglais
• Discipline : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Identifiant : 2025ULILN036
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 18/12/2025

Résumé en langue originale

Le transport thermique à l'échelle nanométrique fait depuis longtemps l'objet de recherches, en raison de son importance tant en physique fondamentale que dans les applications pratiques. D'une part, il existe encore un important déficit de connaissances dans ce domaine, en particulier dans les systèmes nanométriques à très basse température (jusqu'à 1 K ou moins). Dans ces conditions, le libre parcours moyen (?) et la longueur d'onde dominante (?_DOM) des phonons deviennent comparables ou supérieurs à la taille de l'échantillon, ce qui permet d'accéder aux régimes de transport balistique et cohérent des phonons. D'autre part, la miniaturisation des dispositifs électroniques et les nouvelles tendances en matière de circuits intégrés à l'échelle nanométrique ont introduit des défis importants en matière de gestion thermique. Cela devient de plus en plus important pour les applications dans les ordinateurs quantiques ou le développement des technologies cryo-CMOS.Le projet Hanibal a pour objectif d'approfondir les connaissances sur les différents régimes de transport thermique et d'étudier certains phénomènes intéressants observés dans ce domaine, tels que la rectification thermique, la réduction de la conductance thermique dans les systèmes à cristaux phononiques et la quantification du transport thermique. Être capable de démontrer ces mécanismes de transport thermique contre-intuitifs signifie convertir de minuscules quantités d'énergie en une quantité mesurable. Pour atteindre ces objectifs, des dispositifs thermiques suspendus à base de silicium ont été fabriqués. Ces dispositifs sont produits à partir de plaquettes de silicium sur isolant (SOI) à l'aide de techniques de micro/nanofabrication, principalement la lithographie par faisceau électronique et la gravure à sec (RIE, ICP-RIE). Des fils supraconducteurs en NbTi garantissent l'absence de chauffage parasite pendant le contrôle du dispositif, tandis que la détection est assurée par de fines couches de NbN, atteignant des sensibilités de l'ordre du femtowatt (10?15 W). Divers échantillons (nanofils et membranes à motifs 2D) ont été fabriqués pour les études prévues. Ce travail est mené en collaboration avec le CEA-LITEN (pour les simulations théoriques) et l'Institut Néel (pour la fabrication des échantillons et les mesures par réfrigérateur à dilution). À l'Institut Néel, des échantillons à base de SiN ont également été produits afin de comparer le comportement du SixNy amorphe à celui du Si cristallin. Contrairement à ces attentes, les membranes asymétriques à motifs phononiques à base de SiN présentent un taux de rectification reproductible d'environ 20 % en dessous de 4 K, démontrant un transport de chaleur directionnel avec une application potentielle. Les résultats pour nos échantillons à base de silicium sont en attente.En résumé, la haute sensibilité de ces dispositifs de thermométrie et leur capacité à accueillir plusieurs types d'échantillons entre les réservoirs permettront de faire progresser les capacités expérimentales en matière de mesures de transport thermique à basse température. Dans cette soutenance de thèse, nous discuterons des principaux défis scientifiques et technologiques du projet, mettrons en avant les dispositifs entièrement finis et la méthode de mesure. Les premières données de rectification thermique seront présentées. Enfin, nous esquisserons les perspectives d'avenir pour la caractérisation des échantillons et les pistes de recherche.

Résumé traduit

Nanoscale heat transport has long been under investigation, because of its importance both in fundamental physics and practical applications. On one hand, there is still a large knowledge gap in the field, especially in nanoscale systems at very low temperatures (down to 1K or below). Under these conditions, the mean free path (?) and dominant wavelength (?_DOM) of phonons become comparable to or greater than the sample size, accesing the ballistic and coherent phonon transport regimes. On the other hand, the miniaturization of electronic devices and new trends on nanoscale integrated circuits have introduced significant challenges in heat management. This becomes increasingly important for applications in quantum computers or the development of cryo-CMOS technologies.The aim of the Hanibal project is to learn more about the different thermal-transport regimes and investigate some interesting phenomena encountered THERE, such as thermal rectification, the reduction of thermal conductance in phononic crystal systems and quantization of thermal transport. Being able to demonstrate such counter intuitive heat transport mechanisms means to convert tiny amount of energy into a measurable quantity. To achieve these objectives, silicon-based suspended thermal devices have been fabricated. The devices are produced from silicon-on-insulator (SOI) wafers using micro-/nano-fabrication techniques, mainly e-beam lithography and dry etching (RIE, ICP-RIE). Superconductive NbTi wires ensure no parasitic heating during device control, while sensing is performed by NbN thin layers, reaching sensitivities in the femtowatt (10?15 W) range. Various samples —nanowires and 2D-patterned membranes— have been fabricated for the intended studies. The work is carried out in collaboration with CEA-LITEN (for theoretical simulations) and Institut Néel (for sample fabrication and dilution-refrigerator measurements). At Institut Néel, SiN-based samples have also been produced to compare amorphous SixNy with crystalline Si behavior. Contrary to these expectations, the SiN based asymmetric phononic patterned membranes exhibit a reproducible ? 20 % rectification ratio below 4 K, demonstrating directional heat transport with potential application. Results for our silicon-based samples are pending.In summary, the high sensitivity of these thermometry devices and their ability to accommodate multiple types of samples between reservoirs will push forward experimental capabilities in low-temperature thermal-transport measurements. In this thesis defence, we will discuss the main scientific and technological challenges of the project, highlight the fully finished devices and the measurement method. The first thermal rectification data will be presented. Finally, we will outline future perspectives for sample characterization and research paths.