Un nouveau régime de transport thermique découvert dans des semi-conducteurs ultraminces

Contrôler le flux de chaleur est un défi majeur pour de nombreuses technologies. Dans les dispositifs électroniques et photoniques, par exemple, la dissipation thermique peut limiter les performances et l’efficacité, ainsi que leur potentiel de miniaturisation. Parallèlement, les matériaux bidimensionnels (2D), constitués de couches de quelques atomes d’épaisseur, sont devenus une plateforme prometteuse dans ces domaines. Par exemple, les semi-conducteurs 2D devraient être utilisés dans les canaux de conduction des futurs transistors. Cependant, leur comportement thermique reste difficile à prédire et à contrôler.

Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs dirigée par l’ICN2, l’UAB, la TU/e et McGill a découvert un nouveau régime de transport de chaleur dans les matériaux ultraminces. L’étude montre que dans les semi-conducteurs 2D, en particulier le disulfure de molybdène (MoS₂) et le diséléniure de molybdène (MoSe₂), la chaleur peut se comporter d’une manière complètement nouvelle, connue sous le nom de transport hydro-thermoélastique, où la diffusion thermique est fortement entravée. Ces résultats, publiés dans Nature Physics, pourraient avoir un impact significatif sur le développement de nouvelles stratégies de gestion thermique dans les dispositifs.

Une combinaison de phénomènes inattendus

Dans des conditions normales, la chaleur se propage progressivement des régions chaudes vers les régions froides. Cependant, dans ces matériaux ultraminces, des effets plus complexes se produisent. Comme le souligne le Dr Sebin Varghese, premier auteur de l’article : « Nos résultats remettent en question l’image conventionnelle du transport diffusif de la chaleur et révèlent un mécanisme de transport plus riche et plus complexe dans les semi-conducteurs ultraminces. » L’un des effets qui se produit est l’hydrodynamique des phonons, par laquelle la chaleur est transportée collectivement et se comporte comme un fluide visqueux. Parallèlement, le chauffage induit des déformations mécaniques dans le matériau, qui affectent également la manière dont la chaleur se déplace. Bien que ces types d’effets soient déjà connus, ils n’avaient jamais été observés dans ce type de matériaux.

L’interaction de ces phénomènes entraîne un comportement inattendu : la chaleur se propage beaucoup plus lentement que prévu, la diffusivité thermique étant réduite jusqu’à un ordre de grandeur. Pour parvenir à ces conclusions, les chercheurs ont utilisé une technique optothermique avancée qui leur a permis de suivre le flux de chaleur en temps réel avec une résolution nanométrique. Le professeur F. Xavier Alvarez du Département de physique de l’UAB, qui a dirigé la partie théorique du travail, note que « pour la première fois, nous observons comment les contraintes mécaniques peuvent rediriger – et même obstruer – le flux de chaleur dans un matériau. »

La chaleur peut-elle circuler « en sens inverse » ?

Les expériences montrent que, dans ces matériaux ultraminces, la chaleur a tendance à rester concentrée autour de la région chauffée plus longtemps que prévu. Cela se produit car le chauffage provoque des déformations du matériau qui modifient la manière dont la chaleur se déplace à travers le matériau, poussant même le flux de chaleur dans des directions inattendues.

Comme l’explique le professeur Klaas-Jan Tielrooij (ICN2 et TU/e), qui a dirigé l’étude : « Ce qui nous a le plus surpris, c’est que la chaleur peut, dans certaines conditions, résister à quitter la région chaude, ce qui est dû à des contributions au flux de chaleur allant des régions froides vers les régions chaudes, plutôt que le flux conventionnel allant des régions chaudes vers les régions froides. Cela ouvre une nouvelle façon de contrôler intrinsèquement le flux de chaleur, sans avoir à modifier la structure du matériau. »

Cette découverte apporte un nouvel éclairage fondamental sur la manière dont la chaleur est transportée à l’échelle nanométrique et pourrait ouvrir la voie à la conception de dispositifs électroniques, photoniques et thermiques dotés de nouvelles fonctionnalités. La capacité à contrôler plutôt qu’à simplement dissiper la chaleur pourrait être cruciale pour les technologies futures, depuis l’amélioration de la gestion thermique des puces jusqu’à l’efficacité accrue des systèmes thermoélectriques.

Article : Controllable hydro-thermoelastic heat transport in ultrathin semiconductors at room temperature – Journal : Nature Physics – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : UAB