Due to the size of the nano-scale and micro-scale materials, traditional method for measuring the thermal properties of the bulk materials cannot be applied. The 3 OmegaMethod was developed by D. G. Cahill in the early 90s. It was used extensively to measure the thermal properties of thin film dielectric materials. Compare with other simulations or experimental methods, the 3 Omega Method has many advantages. Previous research has indicate that the 3 Omega method is capable of measuring the cross-plane thermal conductivity of thin film materials. In extension, an alternative improvement for measurement of the in-plane thermal conductivity and calculating the difference between the in-plane thermal property and the cross-plane thermal property (anisotropy) are developed based on the concept of the 3 Omega Method.

Les matériaux biopolymères sont l’objet d’un engouement très fort pour des applications très variées dans de nombreux domaines d’activités où ils remplacent de plus en plus les polymères pétrosourcés. Compte tenu de leurs propriétés, parmi lesquelles la biocompatibilité, la biodégradabilité, la flexibilité et la légèreté, ils suscitent un intérêt croissant dans le domaine de l’électronique. Néanmoins, leur possible intégration dans l’électronique haute fréquence passe par l’étude de propriétés importantes telles que la conductivité thermique et la permittivité diélectrique complexe. Dans ce travail nous nous intéressons à deux biopolymères en particulier, l’acide poly lactique (PLA) et le palmitate de cellulose (CP). L’extraction des propriétés de ces matériaux est réalisée au travers de la mise en œuvre de deux méthodes. La méthode 3ω pour la détermination de la conductivité thermique et la méthode dite des deux lignes pour la détermination de la permittivité diélectrique complexe. Cette dernière est mesurée sur une bande de fréquences allant de 0,5 à 67 GHz. Ces deux techniques de caractérisation requièrent la réalisation de lignes métalliques en surface des films biopolymères qui compte tenu de leur nature supportent mal les procédés de photolithographie. Aussi, des procédés alternatifs ont été développés pour répondre à ce challenge technologique. Ce travail expérimental est accompagné d’études de modélisation sur les deux volets, estimations de la conductivité thermique et de la permittivité diélectrique complexe des matériaux investigués. La confrontation des modèles proposés, analytiques et numériques, aux données expérimentales montre une bonne compréhension du problème de caractérisation de ces biopolymères. / Biopolymer materials attract significant attention in many fields where they tend to replace petrosourced polymers. Thanks to their properties, such as biocompatibility, biodegradability, flexibility and lightness, biopolmyers are also increasingly used in many electronic applications. Nevertheless, their possible integration into high-frequency electronics requires the study of important properties such as thermal conductivity and dielectric complex permittivity. In this work we are interested in two biopolymers in particular, poly lactic acid (PLA) and cellulose palmitate (CP). The extraction of the properties of these materials is carried out through the implementation of two methods. The means selected are the 3ω method for the thermal conductivity and the two-line method for the dielectric complex permittivity. This latter is measured in the frequency band 0.5 - 67 GHz. These two characterization techniques require the realization of metal lines on the surface of the biopolymer films. Since biopolymers are not compatible with classical photolithography method, an alternative processes have been developed to meet this technological challenge. This experimental work is accompanied by modeling studies on both aspects, estimates of the thermal conductivity and the complex dielectric permittivity of the investigated materials. The comparison of the proposed analytical and numerical models with the experimental data shows a good understanding of the problem of characterization of these biopolymers.

Ce travail de thèse porte sur les propriétés de transport thermique liées aux phonons dans un nouveau matériau nanostructuré constituée de couches minces de Ge:Mn de type "electron crystal - phonon glass". Ce matériau est élaboré par épitaxie par jets moléculaire au CEA/INAC à Grenoble sur des substrats spécifiques « Germanium-on-insulator (GOI) ». Il consiste en une matrice de germanium possédant une qualité cristalline parfaite dans laquelle sont inclues une importante concentration de nano-inclusions de Ge3Mn5 de forme quasi-sphérique. Révélé par les caractérisations de TEM, les nano-inclusions ont une distribution de diamètre variant de 5 à 50 nm. Il est par ailleurs possible de jouer sur les paramètres de croissance afin de modifier la dispersion de taille des inclusions ainsi que leur concentration. Cette possibilité nous a donc permit d'étudier l'influence des nano-inclusions sur le transport de chaleur de façon exhaustive autour de la température ambiante.Pour ce faire, une expérience de mesure de conductivité thermique « 3 omega » dédiée à ces échantillons et extrêmement sensible, a été fabriquée à l'institut Néel. Cette expérience nous a permis de mesurer les variations de conductivité thermique induites par la modification de la distribution en taille des nano-inclusions de Ge:Mn dans des couches minces d'une centaine de nanomètre d'épaisseur avec une erreur réduite d'environ 12%. Il a été montré que le transport thermique dans ces couches minces pouvait être réduit d'un facteur 20 comparé au germanium massif puisque des valeurs de conductivité thermique de l'ordre de 3 W.m-1.K-1 ont été mesurées. Ces valeurs ont été confirmées par des expériences SThM au CETHIL de Lyon. Les valeurs obtenues sont mêmes en dessous de la limite d'alliage pour le SiGe, ce qui n'est pas explicable par les théories actuelles. Ces faibles conductivités thermiques ainsi que la grande mobilité des porteurs dans le germanium font de ces matériaux à base de GeMn de bons candidats pour la thermoélectricité. Des simulations numériques ont été utilisées afin de mieux comprendre cette diminution spectaculaire de la conductivité thermique et d'interpréter les données expérimentales. / This PhD project is an exhaustive study on the characterization of the thermal properties of a new type semiconducting materials based on germanium. It is a germanium matrix containing nano-inclusions with the objective of creating a perfect "electron crystal - phonon glass" material. The materials are thin films of an epitaxial germanium matrix embedded with Ge:Mn nano-inclusions, grown on a Germanium-on-insulator (GOI) substrate in CEA/INAC in Grenoble. From TEM images of the thin films it has been demonstrated that both the matrix and inclusions are monocrystalline, and the nano-inclusions have generally a spherical form with a diameter distribution ranging from 5 to 50 nm. Depending on the growth parameters in molecular beam epitaxy, i.e. the Mn concentration and the annealing temperature, the geometries, mean diameters and diameter distributions of nano-inclusions in Ge:Mn can be varied. With these unique structural features, these Ge:Mn thin films are one of the most interesting models for the study of the influence of nano-inclusions on thermal transport in a crystalline matrix.The characterization of the thermal properties of the material have been done using two advanced techniques: the 3-omega method in Institut Néel, and the Scanning Thermal Microscopy (SThM) in CETHIL (Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon) in Lyon. A highly sensitive differential 3-omega measurement setup has been developed in the work, which permits precise (error~12%) measurements of electrical conductive thin films having low thermal conductivities. Dramatically reduced thermal conductivities have been revealed for Ge:Mn thin films containing different Mn% and having different inclusion geometries at room temperature, compared to crystalline bulk Ge. A minimum value of 3.3 Wm-1K-1 was found for Ge:Mn thin film containing 10% Mn, beating the “alloy limit” of thermal conductivity set by SiGe alloys at room temperature (6-12 Wm-1K-1). The measurement results of SThM confirmed the low thermal conductivities for all Ge:Mn/GOI samples at room temperature. Numerical simulations using different models have been performed to try to interpret the experimental results and to understand the mechanisms of the influence of the nano-inclusions on the phonon transport in semiconductor materials.

Cette thèse de doctorat porte sur le développement d'un banc de mesure pour la caractérisation thermique de la matière. Les techniques et instruments employés pour la mesure des propriétés thermo-physiques sont nombreux, évoluent constamment et font toujours l'objet de nombreuses recherches. Ils sont néanmoins bien souvent adaptés préférentiellement à un état de la matière et à la mesure spécifique d'un paramètre thermique.Le banc développé repose sur la méthode dite 3-omega, qui consiste à observer la réponse thermique fréquentielle d'un matériau soumis à un flux de chaleur harmonique. Cette technique met à profit l'effet thermo-résistif qui accomplit la transduction du domaine thermique vers le domaine électrique. Elle permet alors de mesurer simplement les variations de température en fonction de la fréquence d'excitation donnant ainsi accès aux propriétés thermo-physiques du milieu étudié.Nous montrons que la méthode 3-omega permet effectivement d'une part de mesurer efficacement la conductivité thermique, mais également d'estimer la capacité thermique isobare. De plus, alors qu'elle a été initialement introduite pour la caractérisation des solides, nous élargissons son champ d'application via un dispositif expérimental adapté et un nouveau type de capteur, pour l'étendre aux autres états de la matière, à savoir les liquides et aux gaz. Le capteur proposé est fabriqué à l'aide des techniques de la micro-électronique et basé sur la technologie du silicium, ce qui permet de réduire ses dimensions et offre des perspectives intéressantes en termes de miniaturisation et d'intégration. / This PhD thesis is devoted to the development of a measurement bench for thermal characterization.Nowadays, sensing techniques and instruments dedicated to this propose are numerous and evolve constantly : they still are an important research area. However, each instrument deals preferentially with one state of matter and measure mostly a unique thermal parameter. This measurement bench uses the so-called 3-omega technique, which consists in the measurement the thermal frequency response of a medium subject to an harmonic thermal heat flux. It is based on the thermo-resistive effect that links the thermal domain to the electrical domain. It therefore gives an easy way to measure the thermal variations in function of the frequency and allows the determination of the thermal properties.Initially introduced for solids, we show that this tool can indeed measure the thermal conductivity but also gives access to thermal capacity. Moreover, we expand its field of applications to other states of matter : liquids and gases.The sensor is fabricated using the microelectronics techniques and uses the silicon technology. That allows to reduce its dimensions and offers interesting prospects in terms of miniaturization and integration.

Conducting polymers (CP) have received great attention in both academic and industrial areas in recent years. They exhibit unique characteristics (electrical conductivity, solution processability, light weight and flexibility) which make them promising candidates for being used in many electronic applications. Recently, there is a renewed interest to consider those materials for thermoelectric generators that is for energy harvesting purposes. Therefore, it is of great importance to have in depth understanding of their thermal and electrical characteristics. In this diploma work, the thermal conductivity of PEDOT:PSS is investigated by applying 3-omega technique which is accounted for a transient method of measuring thermal conductivity and specific heat. To validate the measurement setup, two benchmark substrates with known properties are explored and the results for thermal conductivity are nicely in agreement with their actual values with a reasonable error percentage. All measurements are carried out inside a Cryogenic probe station with vacuum condition. Then a bulk scale of PEDOT:PSS with sufficient thickness is made and investigated. Although, it is a great challenge to make a thick layer of this polymer since it needs to be both solid state and has as smooth surface as possible for further gold deposition. The results display a thermal conductivity range between 0.20 and 0.25 (W.m-1.K-1) at room temperature which is a nice approximation of what has been reported so far. The discrepancy is mainly due to some uncertainty about the exact value of temperature coefficient of resistance (TCR) of the heater and also heat losses especially in case of heaters with larger surface area. Moreover, thermal conductivity of PEDOT:PSS is studied over a wide temperature band ranging from 223 - 373 K.

To improve measurement reliability and repeatability and resolve the orders of magnitude discrepancy between the two different measurements (via reduced model transient electrothermal and lock-in IR thermography), this dissertation details the development of three complementary methods to accurately measure the thermal properties of the natural and synthetic Nephila (N.) clavipes spider dragline fibers. The thermal conductivity and diffusivity of the dragline silk of the N. clavipes spider has been characterized by one research group to be 151-416 W m−1 K −1 and 6.4-12.3 ×10−5 m2 s −1 , respectively, for samples with low to high strains (zero to 19.7%). Thermal diffusivity of the dragline silk of a different spider species, Araneus diadematus, has been determined by another research group as 2 ×10−7 m2 s −1 for un-stretched silk. This dissertation seeks to resolve this discrepancy by three complementary methods. The methods detailed are the transient electrothermal technique (in both reduced and full model versions), the 3ω method (for both current and voltage sources), and the non-contact, photothermal, quantum-dot spectral shape-based fluorescence thermometry method. These methods were also validated with electrically conductive and non-conductive fibers. The resulting thermal conductivity of the dragline silk is 1.2 W m−1 K −1 , the thermal diffusivity is 6 ×10−7 m2 s −1 , and the volumetric heat capacity is 2000 kJ m−3 K −1 , with an uncertainty of about 12% for each property

Understanding thermal transport in nanoscale is important for developing nanostructured thermolelectric materials and for heat management in nanoelectronic devices. This dissertation is devoted to understand thermal transport through SiGe based superlattices. First, we systematically studied the cross-plane thermal conductivity of SiGe superlattices by varying the thickness of Si(Ge) spacers thickness. The observed additive character of thermal resistance of the SiGe nanodot/planar layers allows us to engineer the thermal conductivity by varying the interface distance down to ~1.5 nm. Si-Ge intermixing driven by Ge surface segregation is crucial for achieving highly diffusive phonon scattering at the interfaces. By comparing the thermal conductivity of nanodot Ge/Si superlattices with variable nanodot density and superlattices with only wetting layers, we find that the effect of nanodots is comparable with that produced by planar wetting layers. This is attributed to the shallow morphology and further flattening of SiGe nanodots during overgrowth with Si. Finally, the experiments show that the interface effect on phonon transport can be weakened and even eliminated by reducing the interface distance or by enhancing Si-Ge intermixing around the interfaces by post-growth annealing. The results presented in this dissertation are expected to be relevant to applications requiring optimization of thermal transport for heat management and for the development of thermoelectric materials and devices based on superlattice structures. / Verständnis des thermischen Transport auf Nanoskala ist sowohl grundlegend für die Entwicklung nanostrukturierter Materialien, als auch für Temperaturkontrolle in nanoelektronischen Bauteilen. Diese Dissertation widmet sich der Erforschung des thermischen Transports durch SiGe basierenden Übergittern. Variationen, der Si(Ge) Schichtdicken, wurden zur systematischen Untersuchung der Normalkomponente zur Wachstumsrichtung der Wärmeleitfähigkeit, von SiGe Übergittern, genutzt. Die Beobachtung des additiven Charakters, des thermischen Widerstands, der SiGe Schichten, mit oder ohne Inselwachstum, ermöglicht die Erstellung von Strukturen mit bestimmter Wärmeleitfähigkeiten durch die Variation der Schichtdicken bis zu einer Minimaldistanz zweier Schichtübergänge von ~1.5nm. Die Ge Segregation führt zu einer Vermischung, von Si und Ge, welche eine essentielle Rolle zur diffusen Phononenstreuung spielt. Unsere Untersuchungen, von planaren Übergittern und Übergittern mit variabler Inseldichte, zeigen, dass Inseln und planare Schichten zu einer vergleichbaren Reduktion, der Wärmeleitfähigkeit, führen. Diese Beobachtung lässt sich, sowohl auf die flache Morphologie als auch die Abplattung der SiGe Inseln, aufgrund der Überwachsung mit Si, zurückführen. Die Experimente zeigen außerdem, dass sich der Barriereneffekt, der Schichtgrenzen, durch Reduktion der Schichtabstände und durch verstärkte Vermischung im Bereich der Schichtgrenzen, durch Erhitzung, eliminieren lässt. Die präsentierten Messungen sind sowohl, für die Entwicklung jener Bauteile, die eine Optimierung des thermischen Transports oder Temperaturmanagment erfordern, als auch von thermoelektrischen Matieralien und Bauteilen, basierend auf Übergittern, relevant.

Les propriétés électro-thermo-mécaniques remarquables qui peuvent apparaître dans les nanofils de silicium font l'objet d'un nombre croissant de travaux de recherche. Ces travaux de thèse de nature fortement expérimentale, visent à donner une meilleure connaissance de ces propriétés dans le cas de nanofils, en silicium monocristallin, fabriqués par approche descendante. Pour caractériser la piézorésistivité, deux méthodes de chargement mécaniques ont été développées : la flexion 4 points de puce et la traction/compression in situ avec un actionneur MEMS. La méthode 3ω a été choisie pour des mesures de conductivité thermiques. Ces propriétés ont été étudiées en fonction de la température et la contrainte dans une station sous pointes cryogénique.Les résultats montrent que les nanofils fabriqués à partir de substrats SOI amincis peuvent, de manière inattendue, être fortement contraints en compression après fabrication. Les nanofils de type p présentent, même en régime de mesure dynamique, des coefficients piézorésistifs élevés qui décroissent fortement avec la température et permettent une détection intégrée de mouvement de MEMS avec une limite de détection inférieure à l'Angström. Les mesures thermiques confirment l’effet d’échelle attendu de la conductivité thermique, la décroissance avec la température est compatible avec les résultats théoriques et expérimentaux précédemment publiés. / Remarkable nanoscale electro-thermo-mechanical properties of silicon nanowires are increasingly studies. This experimental thesis investigates such properties for top-down fabricated monocrystal silicon nanowires.A four points bending set-up and a MEMS actuator are developed to apply ex situ and in situ mechanical stress on nanowires. Those devices are characterised in a cryogenic environment within a microprobe station. Electrical properties and piezoresistivity are studied using those systems. Moreover, the 3ω method measures the thermal conductivity of these nanowires.From buckling of silicon nanowires, unexpected high compressive stress (>100 MPa) was identified in top silicon layers of SOI substrates. Drift-compensated measurements show that p type silicon nanowires present large piezoresistive coefficients which decrease with temperature. Additionally, the MEMS device demonstrates the possibility to detect ample MEMS movements with sub-ångström resolution using the nanowires as piezoresistive nanogauges. The thermal conductivity was found consistent with previously reported values for silicon nanowires, and expectedly decreases with temperature.

This thesis has addressed several of the fundamental challenges in correlating the structure thermal transport properties of complex nanoporous polycrystalline zeolite materials. Two types of zeolite materials, MFI and LTA, were employed in order to investigate the effects of temperature and both the framework and non-framework cations on the thermal conductivity of zeolite. The thermal conductivity values of both materials were measured using a well intergrown zeolite film 3-omega method. The thermal transport mechanisms in these materials were investigated by separately analyzing the contributions of different phonon scattering processes. This thesis represents our progress towards a robust framework for understanding and predicting thermal transport properties of zeolite materials and complex crystals in general. Furthermore, the important roles of boundary and defect scattering, as illustrated in this thesis, also imply that the thermal conductivity of zeolite materials can be tuned by exploiting not only the composition but also the pore structure. In addition, a non-equilibrium molecular dynamics simulation with external force was developed and employed to predict the thermal conductivity of materials. It has shown that this method can accurately predict the thermal conductivity of simple materials, such as argon and quartz; however, it failed to predict the thermal conductivity of complex materials, such as zeolite. This thesis presents possible factors that can explain the phenomena and future recommendations to elucidate this issue.

Afin de comprendre les mécanismes de transport de la chaleur dans des films très minces des matériaux amorphes, nous avons proposé et démontré expérimentalement une nouvelle technique de mesure des propriétés thermiques de membranes très minces. Cette technique consiste à coupler la méthode 3 oméga avec la géométrie Völklein (membrane suspendue allongée). L'échantillon d'intérêt est alors monté dans un pont de Wheatstone spécifique afin d'éliminer le signal électrique 1 oméga. Cette technique permet de mesurer avec une très haute sensibilité le signal thermique 3 oméga et donc les propriétés thermiques des membranes. Le nitrure de silicium étudié dans ce travail constitue un matériau amorphe typique. Nous avons été intéressés par l'étude du transport thermique dans un tel système de dimensions réduites en fonction de la température et du stress intrinsèque qui présente dans les films. Afin d'atteindre cet objectif, les membranes de nitrure de silicium de stress élevé et de faible niveau de stress ont été mesurées respectivement pour une épaisseur de 50 nm et 100 nm. Le comportement global de la conductivité thermique mesurée est une croissance quand la température augmente, une tendance généralement constaté pour un matériau amorphe. Le data de membrane de 50 nm présente une conductivité thermique inférieure à celle du 100 nm, ce qui est en accord avec l'effet des dimensions réduites. La chaleur spécifique mesurée s'écarte sensiblement de la loi en T3 de Debye. Cela est particulièrement important en dessous de 100 K où la chaleur spécifique est plus élevé que celle prévue par la modèle Debye. Ces résultats expérimentaux sont en excellent accord avec les prévisions d'un model théorique qui tient en compte de l'effet TLS (Two Level System) qui présente dans le matériaux amorphe. Il a été montré expérimentalement que le stress n'a pas d'effet sur la chaleur spécifique de nitrure de silicium. De plus, nous avons démontré que le stress n'affecte pas la dissipation dans nitrure de silicium, et la dissipation par dilution semble être la cause de la réduction de la dissipation. Par conséquent, le stress ne devrait pas affecter la conductivité thermique du nitrure de silicium, ce qui est cohérent avec les résultats expérimentaux. En terme d'application de la méthode 3 oméga-Völklein, nous avons démontré que la membrane de SiN peut être utilisée comme capteur thermique spécifique pour caractériser un autre matériau déposée sur la face arrière de la membrane. Nous avons testé ce modèle pour mesurer les propriétés thermiques d'un film de 200 nm de Bi2Te3. Les résultats obtenus sont en excellent accord avec la littérature. Comme le SiN est un matériau isolant, ce modèle est capable de mesurer des films très minces quelle que soit sa nature, isolant, semi conducteur ou métallique. / In order to understand the mechanisms of the heat transport in very thin amorphous films, we have proposed and experimentally demonstrated a new technique to measure the thermal properties of very thin membranes. This technique consists in coupling the 3 omega method to the Völklein geometry (elongated suspended membrane). The sample of interest is then implemented into a specific Wheatstone bridge in order to eliminate the electrical 1 omega signal. This technique allows the measurement with very high sensitivity of the 3 omega thermal signal and therefore the thermal properties of the membranes. Silicon nitride membranes studied in this work constitutes a typical amorphous material. We have been interested in the study on the thermal transport in such system of reduced dimensions as function of temperature and intrinsic modified stress. In order to accomplish this goal, silicon nitride membranes of high stress and low stress have been measured respectively with the thickness 50 nm and 100 nm. The overall behaviour of the measured thermal conductivity is an increase as the temperature is increased, a trend commonly found for amorphous material. The 50 nm data show thermal conductivity less than that of the 100 nm, this is consistent of the effect of reduced dimensions. The measured heat capacity is apparently higher than what is expected from the Debye phonon heat capacity. This is especially significant below 100 K where the heat capacity deviates significantly from the T3 Debye law. A theoretical model taking into account the presence of TLS in amorphous materials is then used to fit the experimental data. The theoretical fits are in excellent agreement with the experimental results. It was seen experimentally that stress has no effect on the specific heat of silicon nitride. Moreover, we have demonstrated that stress does not affect the dissipation in silicon nitride, and the dissipation dilution seems to be the sole cause of the reduction of dissipation by an applied stress in high stress silicon nitride. Therefore, stress should not affect thermal conductivity of silicon nitride, and this is consistent with the experimental results. As application for the 3 omega-Völklein method, we have demonstrated that the SiN membrane can be used as specific thermal sensor to characterize another material deposited on the backside of the membrane. We have tested this model to measure thermal properties of Bi2Te3 film and the results are in excellent agreement with literature. As the SiN is an insulator, this model is able to measure very thin films whatever its nature, insulator, semi conductor or metallic.