Multiscale thermophysical characterization using broad frequency range photothermal radiometry

Les problèmes liés au réchauffement climatique, conséquences de la production d'énergie et de la pollution, rendent ce thème de recherche un des plus importants du moment. La course pour trouver de nouveaux matériaux pour mettre au point des applications innovantes est à son apogée, et de grands progrès voient le jour dans chaque domaine de recherche. Par exemple, les chercheurs en physique se concentrent sur la fabrication de matériaux ou de couples de matériaux avec des propriétés électriques/thermiques supérieures pour améliorer les systèmes électroniques aux échelles nano- et micro- métriques. Certains de ces éléments sont formés de couches simples, de multicouches ou de membranes. Ainsi, des techniques expérimentales appropriées sont essentielles pour mesurer les propriétés thermophysiques de ces nouveaux composants. Dans cette thèse, la caractérisation thermique de diverses sortes de matériaux est réalisée en utilisant une technique de radiométrie photothermique (PTR). PTR est une méthode sans contact dans laquelle la réponse thermique de matériaux induite par rayonnement est mesurée. Deux types de configurations ont été utilisées, la première avec une modulation dans le domaine fréquentiel jusqu'à 10 MHz et l’autre avec une modulation hybride fréquence/spatial jusqu'à 2 MHz avec ~ 30 µm de résolution. Avec ces méthodes, il est possible d'extraire indépendamment des paramètres thermophysiques comme la diffusivité thermique, l’effusivité thermique ou la résistance de Kapitza. Ces deux configurations sont utilisées pour caractériser thermiquement des combinaisons particulières de matériaux comme des nanocomposites, des couches minces organiques, des matériaux irradiés, des matériaux à changement de phase ou les résistances thermiques à l’interfaces métal/semiconducteur. Les résultats obtenus donnent de nouvelles pistes de recherche sur le transport thermique et la gestion de la chaleur à l’échelle nanométrique.The recognition of problems connected to the global warming linked to energy production and pollution, makes it the most important research topic of the moment. The race of finding new materials for improved applications is at its peak, while big advancements in technologies within each field of research have seen the light. For example, researchers in physics are focusing on making superior materials or couple of materials with enhanced thermo-/electric- physical properties for nano- and micro- electronic devices. The constituents in question, embody simple or complicated multiscale layers or membranes. Thus, proper experimental techniques are essential to measure the thermophysical properties of these new components. In this thesis, thermal characterization of diverse kinds of materials is made using a photothermal radiometry (PTR) technique. PTR is a contactless method which measures the thermal response of materials induced by optical heating. Two types of PTR setups were utilized, one using frequency domain modulation up to 10 MHz and one based upon hybrid frequency/spatial domain modulation up to 2 MHz with ~30 µm resolution. With these methods, it is possible to extract independent thermophysical parameters like the thermal diffusivity, thermal effusivity or Kapitza resistance. These two setups are used jointly to thermally characterize peculiar combinations of materials like: nanocomposite, organic, irradiated, phase changing and silicide materials. The results grasp new insights on the thermal transport and heat management across these set of materials and encourages novel ways to apply them in diverse applications throughout many research fields