NANO-PCM – Etude thermique des matériaux à changement de phase à l’échelle nanométrique – Applications à la thermotronique, au calcul photonique, au stockage et à la récolte d’énergie

Le projet Nano-PCM vise à caractériser les propriétés thermiques et les conductances limites thermiques de différents matériaux à changement de phase (VO2, Sb2S3 et GST) dans le but d’applications en thermotronique et en nanophotonique (circuits intégrés photoniques) dans lesquelles les propriétés thermiques sont un élément clé et souvent mal compris.

Les matériaux à changement de phase (PCM) révolutionnent actuellement la nanophotonique (métasurfaces programmables, neurones reconfigurables [1, 2, 3, 4]) ou d’autres domaines comme les mémoires à changement de phase [5], les applications d’économie d’énergie (fenêtre intelligente thermochrome) [6] ou stockage d’énergie [2, 7]. L’utilisation de PCM dans les circuits intégrés photoniques (PIC) vise le développement de commutateurs photoniques non volatils, constituant une avancée significative dans la réalisation de processeurs tout optiques [2]. Les applications utilisant ces matériaux se situent à l’intersection de la photonique, de la phononique, de l’ingénierie moléculaire et des technologies électrothermiques à l’échelle nanométrique.

Parmi les différents MCP, le dioxyde de vanadium (VO2) est un matériau récemment largement étudié en raison d’une température de transition de phase proche de la température ambiante (Tc ~ 68°C). C’est un matériau thermochromique avec des applications dans le stockage d’énergie, les applications d’économie d’énergie ou la fabrication d’électrodes pour batteries et supercondensateurs. La transition de phase métal-isolant est réversible, présente une hystérésis et se produit sur un intervalle de temps très court (passage d’une structure monoclinique à basse température à une structure tétragonale-rutile à haute température). Durant la transition, les propriétés électriques, optiques et thermiques du VO2 subissent de brusques variations, permettant d’envisager plusieurs applications technologiques prometteuses : capteurs thermiques, interrupteurs optiques, électriques et thermiques, circuits intégrés photoniques, fenêtres et surfaces intelligentes, traitements de surface pour améliorer la température. confort dans les bâtiments, ou encore la conception et la réalisation de composants thermotroniques (diode thermique, transistor et memristor). Cependant, la création de tels dispositifs nécessite une connaissance précise des propriétés thermiques du matériau. Par ailleurs, la possibilité d’abaisser la température de transition du VO2 à des températures proches de la température ambiante est un axe de recherche et constitue un point clé pour les applications de la vie quotidienne (vêtements et vitres intelligentes).

Concernant Sb2S3 et GST, ce sont des PCM permettant d’ajuster et de reconfigurer les fonctionnalités optiques sans aucune pièce mobile. Le réarrangement rapide des atomes à l’échelle nanométrique entraîne d’importants changements dans les propriétés optiques. De nouveaux systèmes exploitent ces propriétés des PCM comme l’ajustement de l’émission, de la réflexion ou de l’absorption de la lumière, des métasurfaces programmables ou des neurones reconfigurables [2], [8]. En plus de leurs deux états On/Off classiques, les PCM présentent un autre degré de liberté de réglage : la possibilité de coder plusieurs niveaux d’états non volatils via une cristallisation partielle. Plusieurs travaux ont récemment exploité ce potentiel pour des dispositifs à guides d’ondes ou méta-surfaces. Cependant, la vitesse du processus de cristallisation, quelques nanosecondes après avoir dépassé le seuil de température, constitue l’un des principaux problèmes. Pour pouvoir mieux maîtriser ce processus, la connaissance des propriétés thermiques de ces matériaux est donc cruciale.

De plus, des études récentes sur les matériaux à changement de phase ont montré l’importance des conductances thermiques d’interface (TBC) ([9], [10], [11]). Dans ces matériaux, le changement de phase associé au matériau induit une variation des propriétés d’interface et une transition du TBC a été mise en évidence. Cependant, les phénomènes thermiques et physiques impliqués lors de la variation du TBC lors du changement de phase doivent être mieux compris.

Le projet NANO-PCM vise à améliorer la compréhension du transfert thermique dans les PCM, à caractériser leurs propriétés thermiques et notamment les conductances thermiques aux interfaces lors du changement de phase. Ces propriétés étant mal connues, l’objectif est d’apporter des solutions pour optimiser les transferts thermiques et donc augmenter les performances des composants thermotroniques et nanophotoniques.

Les différents matériaux seront fabriqués par les différents partenaires du projet et les caractérisations thermiques seront réalisées par radiométrie photothermique infrarouge.

Ce travail est soutenu par la Graduate School NANO-PHOT (École Universitaire de Recherche, PIA3, contrat ANR-18-EURE-0013.