Thèse Mesure et Modélisation de la Résistance Thermique d'Interface dans les Nanofilms sur Substrats Métalliques H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : Laboratoire Interdisciplinaire des Sciences du Numérique Direction de la thèse : Jay AMRIT ORCID 0000000211433392 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59 Près d'un tiers de la production énergétique des États-Unis est aujourd'hui consacré aux technologies de l'information, du microprocesseur aux data centers. En France, cette part est d'environ 11 %, et l'ADEME prévoit une forte augmentation. Dans ce contexte, la dissipation thermique - notamment à l'interface entre deux matériaux, même très fins - constitue une source importante de pertes énergétiques. La maîtrise de l'échauffement aux interfaces est ainsi devenue un enjeu critique dans la conception de dispositifs en micro- et nanotechnologies. Elle concerne également d'autres domaines, tels que les piles à lithium métallique ou encore les cavités supraconductrices des accélérateurs de particules, dont les parois sont recouvertes de couches nanométriques pour optimiser les champs accélérateurs.
De plus, la physique du transport thermique à l'échelle micro- et nanométrique se caractérise, en plus de la résistance thermique aux interfaces, par l'émergence de nouveaux phénomènes - transport balistique, interférence, tunneling - qui apparaissent lorsque les libres parcours moyens des porteurs de chaleur (phonons) deviennent comparables ou supérieurs à la taille du système. Malgré de nombreuses études théoriques et numériques, la prédiction du comportement thermique d'un nano système reste un défi, en raison du manque de données expérimentales.
La résistance thermique d'interface ainsi que la conduction balistique de la chaleur comptent parmi les phénomènes thermiques les plus étudiés à l'échelle internationale, principalement par voie numérique. Au sein du LISN, nous explorons ces phénomènes de manière expérimentale.
Le projet proposé porte sur l'étude de la résistance thermique à l'interface entre une couche mince (de quelques dizaines de nanomètres) et son substrat, à l'aide de la technique dite 3-oméga.
L'objectif clé de la thèse porte sur l'étude expérimentale de la résistance thermique à l'interface entre un substrat en silicium et une couche de niobium (puis de NbSi), à l'aide d'une technique innovante dite 3-omega en milieu cryogénique.
Cette étude vise à établir de nouvelles lois décrivant la résistance thermique à l'interface couche mince/substrat. Elle portera également sur la modélisation de la conduction thermique due aux phonons balistiques - les principaux porteurs de chaleur - au sein de la couche nanométrique, ouvrant ainsi la voie à une réduction de la dissipation in situ aux interfaces.
Afin de rendre la mesure directe et sans contact, nous avons conçu une méthode expérimentale inédite. En effet, en plaçant l'échantillon en contact avec du superfluide, les propriétés de ce dernier font que la troisième harmonique du signal de tension du capteur de température est dominée, d'une part, par la résistance thermique d'interface induite par la couche mince et, d'autre part, par la conductivité thermique de la couche elle-même. En résumé, la présence du superfluide permet de s'affranchir d'un contact direct entre le capteur (thermomètre) et la couche. De plus, le fait de travailler à très basse température (~1 K) présente un avantage supplémentaire : la suppression du bruit thermique susceptible de masquer les phénomènes étudiés.

Le prérequis pour ce projet est un diplôme de Master 2 en physique ou physique appliquée (ou équivalent). Des connaissances en physique statistique, physique des solides, transferts thermiques, ainsi qu'une affinité pour la modélisation informatique, sont fortement recommandées.
Les qualités recherchées incluent une aptitude pour la physique expérimentale, le goût du travail en équipe, la rigueur et l'organisation, ainsi que de bonnes compétences en communication orale et écrite.
La maîtrise de l'anglais (lecture, écriture et expression orale) est indispensable.