Développement d'un transistor thermique radiatif en champ lointain basé sur des films minces de dioxyde de vanadium

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Émissivité, Diode Thermique, Transistor Thermique

Mots-clés

Ablation laser (fabrication),

Dépôt par laser pulsé,

Matériaux à changement de phase,

Couches minces

Des films minces de dioxyde de vanadium (VO₂) ont été développés sur des substrats de saphir-c, saphir-r et Si/SiO₂ (100) en utilisant le procédé de dépôt par ablation laser (PLD) avec une configuration hors axe, permettant des dépôts sur des surfaces de substrat relativement grandes, jusqu'à 5×5 cm². Les films minces de VO₂, post-dépôt, ont été soumis à un traitement thermique rapide afin d’obtenir le contraste le plus élevé (5 ordres de grandeurs pour la résistivité) entre leurs états isolant et métallique pendant la transition de phase autour de 68 °C. Les propriétés physiques des films minces de VO₂ étaient fortement corrélées au type de substrat utilisé.Ce travail concerne la réalisation des dispositifs thermiques innovants en utilisant la variation abrupte de l'émissivité du VO₂ au cours de sa transition métal-isolant (MIT) afin d'amplifier et de moduler le flux de chaleur radiatif en champ lointain. L'émissivité des films minces de VO₂ pendant la MIT a été mesurée avec précision en utilisant la technique de la cavité résonante à ondes thermiques (TWRC) au laboratoire Pprime de Poitiers. Les films ont montré des variations d'émissivité de l’ordre de Δε = 0,38 pendant la MIT pour 200 nm d’épaisseur, chaque film affichant différentes largeurs d’hystérésis.Les émissivités ont été utilisées pour modéliser et simuler des diodes thermiques radiatives et pour explorer théoriquement un transistor thermique radiatif avec une base en VO₂ sur des substrats en saphir-c, saphir-r ou Si/SiO₂. Un transistor thermique radiatif expérimental avec une base en VO₂ sur Si/SiO₂ a été réalisé. Nous avons pu mesurer expérimentalement les densités de flux de chaleur radiative internes ϕ₁ (collecteur-base) et ϕ₂ (base-émetteur) pour déterminer ϕ₃. Le transistor a démontré une performance de commutation thermique de 0,55, une amplitude de modulation thermique de 60 W/m² et un facteur d'amplification thermique de 0,24.Outre une des premières démonstrations expérimentales d’amplification des courants thermiques à travers des transistors thermiques radiatifs et conducteurs à base de VO2, ce travail fournit aussi une source riche de résultats sur les propriétés thermiques et optiques de ce matériau lors de sa transition diélectrique/métal et permet d’imaginer des dispositifs nouveaux (memristor thermique) à des échelles réduites à la centaine de micromètres.