Projet ANR-15-CE30-0019 – MESOPHON : Transport de phonons dans des semiconducteurs à nano-inclusions à l’échelle mésoscopique
Programme : Défi de tous les savoirs (DS10) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur David Lacroix (Laboratoire d'Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 468583.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 48 mois
Résumé : Le projet de recherche "Mesophon" porte sur l’étude du transfert de la chaleur dans les matériaux nanostructurés où les dimensions caractéristiques sont de l’ordre de la longueur d’onde des phonons Lph (~100nm à 3K and ~1nm à 300K). Pour mener à bien ce projet, une approche multidisciplinaire qui associe élaboration, caractérisation et simulation est proposée. L’originalité du programme de recherche est d’associer des mesures de propriétés thermiques et électriques à très basse température et la modélisation numérique de celles-ci, afin d’observer des effets ondulatoires sur le transport des phonons. Pour ces très basses températures, l’étude expérimentale des transferts de chaleur dans les nanostructures met en jeu des expériences lourdes et la littérature sur ce sujet demeure incomplète. Néanmoins, des travaux récents tendent à démontrer que les phonons de longueur d’onde intermédiaire contribuent de manière significative au transport de la chaleur et donc que leur contrôle pourrait modifier les propriétés thermiques des matériaux associés. Ces travaux de recherche s’inscrivent dans une branche en plein essor de la physique : "la phononique" qui a pour objet de comprendre et contrôler le transport des ondes thermiques à travers l’étude de nanostructures.
Dans le cadre de ce projet collaboratif, le programme de recherche est scindé en 3 tâches principales. 
•	Premièrement, des nanofilms de Ge contenant des nano-inclusions de Ge:Mn ou de Ge:Sn:Mn seront élaborés au laboratoire SiNaPS. Ces matériaux uniques, où la taille et la dispersion des inclusions sont contrôlées de sorte à coïncider avec la longueur d’onde des phonons, vont permettre d’étudier les effets ondulatoires liés à la diffusion des phonons.
•	Dans un second temps, des mesures de la conductivité thermique de ces échantillons seront menées de la température ambiante à celle de l’hélium liquide à l’Institut Néel. En outre, à l’aide d’un dispositif spécifique le coefficient Seebeck et sa variation due au "phonon drag" sera étudié pour des films minces avec et sans inclusion. Cette mesure constitue une approche originale permettant de sonder le transport de phonon.
•	En parallèle, au LEMTA, sur la base de la caractérisation structurelle des matériaux fabriqués, nous allons étudier à l’aide de différents outils de simulation atomistique les propriétés des phonons et le transfert thermique dans ces matériaux. Un retour des simulations vers l’optimisation de la croissance des matériaux est aussi attendu. L’objectif est à la fois de comparer les simulations aux résultats expérimentaux et de développer des modèles prenant en compte les effets ondulatoires liés aux interactions entre les phonons et les nano-particules. A terme, un formalisme similaire à la théorie de Mie pourrait être mis en place pour les ondes acoustiques dans les nanostructures.
Ce travail est par nature collaboratif et les interactions entres les différentes équipes de recherche fortes. En ce qui concerne l’élaboration des nanostructures, outre les difficultés inhérentes à leur réalisation,  il existe toujours des inconnues quant aux performances potentielles des matériaux fabriqués. En ce sens l’appui apporté par les techniques de caractérisation fine et la modélisation numérique doivent permettre d’optimiser les matériaux en vue des propriétés visées. Réciproquement des points de vues expérimentaux et numériques, avoir des matériaux de référence aux propriétés contrôlées à l’échelle atomique est un atout indéniable pour développer des dispositifs de mesure sophistiqués et des outils de calculs fiables.
Enfin, une étude de faisabilité a d’ores et déjà été menée à température ambiante sur des nanofilms de Ge:Mn.  Les résultats encourageant en ce qui concerne la diminution de la conductivité thermique dans ces matériaux attestent de la faisabilité du projet et les résultats attendus devraient avoir des débouchés technologiques (contrôle thermique, électronique, optronique, diodes thermiques, …).