Thèse Nanothermométrie Résolue en Temps par Spectroscopie Photon-Électron H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Solides
Direction de la thèse : Mathieu KOCIAK ORCID 0000000188580449
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

La miniaturisation des dispositifs électroniques impose aujourd'hui de mieux comprendre le transport de la chaleur à l'échelle nanométrique, devenu un facteur limitant majeur des performances. Parallèlement, le développement de solutions thermoélectriques efficaces requiert des structures combinant faible conductivité thermique et forte conductivité électrique. Lorsque les dimensions deviennent comparables au libre parcours moyen des phonons - principaux porteurs de chaleur dans les semi-conducteurs et isolants - le transport thermique entre dans des régimes non classiques. Dans ce contexte, mesurer les flux thermiques et la dynamique des phonons aux échelles pertinentes (nanomètre, nanoseconde) est essentiel pour comprendre et contrôler ces phénomènes.

La spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) en microscopie électronique en transmission à balayage (STEM) s'est récemment imposée comme un outil clé, permettant de sonder la densité d'états phononiques avec une résolution spatiale allant jusqu'à l'échelle atomique. Elle offre ainsi un accès unique aux propriétés thermiques locales, notamment à proximité des interfaces. Cependant, cette résolution spatiale élevée restait jusqu'ici difficilement compatible avec une résolution temporelle adaptée aux phénomènes de transport.

Des avancées instrumentales récentes lèvent cette limitation. L'émergence de détecteurs d'électrons pixélisés résolus en temps permet d'accéder à des dynamiques à l'échelle de la nanoseconde. De plus, l'intégration d'une excitation optique localisée dans le microscope ouvre la voie à des études combinant interactions lumière-matière et spectroscopie électronique. Au LPS d'Orsay, ces développements ont conduit à une technique originale de nanothermométrie reposant sur une excitation photonique synchronisée avec la détection électronique dans des nanostructures. Cette approche permet d'atteindre simultanément une résolution spatiale nanométrique et temporelle nanoseconde, ouvrant un nouveau champ en spectroscopie ultrarapide des propriétés thermiques et phononiques.

La thèse visera à exploiter cette méthode pour étudier le transport thermique dans diverses nanostructures selon trois axes principaux : (i) le transport semi-balistique dans des structures semi-conductrices de taille inférieure au libre parcours moyen des phonons ; (ii) la résistance thermique d'interface (résistance de Kapitza) dans des hétérostructures, caractérisée par des chutes de température localisées ; (iii) le transport phononique dans des matériaux bidimensionnels, où la réduction de dimensionalité induit des régimes non conventionnels, notamment hydrodynamiques.

Ces études tireront parti des capacités multimodales du microscope, permettant l'acquisition de données riches et corrélées au cours d'une même expérience. Cette thèse, à forte composante exploratoire, s'appuiera sur une plateforme expérimentale unique combinant spectroscopie électronique avancée, excitation optique in situ, fabrication de nanostructures (lithographie électronique, évaporation métallique) et modélisation du transport thermique.

La maîtrise des flux de chaleur et des phonons joue un rôle fondamental dans les performances des dispositifs modernes de microélectronique et d'énergie. La caractérisation spatio-temporelle de ces phénomènes aux échelles pertinentes (nanomètre, nanoseconde) constitue un enjeu majeur pour comprendre les régimes physiques émergents lorsque les dimensions des dispositifs atteignent des tailles sub-micrométriques.
Dans cet objectif, l'équipe STEM du LPS est pionnière dans le développement de méthodes résolues en temps pour la mesure de ces propriétés thermiques. Historiquement impliquée dans le développement de techniques de nano-optique visant à collecter et injecter de la lumière dans un microscope électronique, l'équipe s'est récemment orientée vers l'étude des effets thermiques induits par des impulsions lumineuses ultracourtes (ps à ns). Ces approches permettent de suivre l'évolution temporelle de l'état des matériaux à l'échelle nanométrique.

L'objectif de la thèse est de mesurer le flux thermique et la dynamique de propagation de phonons dans des nanostructures métalliques ou semiconductrices.

- Spectroscopies électroniques (EELS, cathodoluminescence) en coïncidence
- Microscopie électronique
- Stimulation par laser pulsé