Les matériaux amorphes présentent des excitations de basses énergies d'origine élastique qui sont absentes des cristaux simples et qui leur confèrent à basse température (T<1K) des propriétés physiques particulières et quasi-universelles. Dans le modèle phénoménologique des états tunnel, ces excitations résultent du passage par effet tunnel de groupes d'atomes entre plusieurs configurations équivalentes. Afin de mieux comprendre la nature microscopique de ces états tunnel et leur lien avec le désordre structural, nous nous sommes intéressés à des matériaux présentant un ordre intermédiaire, entre amorphe et cristallin. Nous avons ainsi mesuré par une méthode propagative les propriétés acoustiques, vitesse et atténuation ultrasonores, de différents quasicristaux et cristaux de grandes mailles entre 15mK et 40K. Une première expérience dans un quasicristal mono-grain i-AlCuFe de très bonne qualité structurale a montré l'existence d'états tunnel avec une densité d'états similaire à celle des amorphes. De plus, les mesures dans un approximant R-AlLiCu, et dans deux quasicristaux i-AlLiCu imparfaits, dont l'un a été recuit pour améliorer sa qualité structurale, ont montré que la densité d'états des états tunnel augmentait avec la qualité de l'ordre quasicristallin. Il apparaît donc que les états tunnel ne sont pas liés à des défauts de structure tels que les phasons mais qu'ils sont intrinsèques à l'ordre quasicristallin. Ceci est confirmé par l'observation d'une anisotropie du couplage phonons-états tunnel dans un quasicristal bidimensionnel décagonal d-AlNiCo. Nous avons aussi étudié des matériaux avec un ordre encore plus prononcé : des monocristaux d'olivine et de cordiérite possédant une maille cristalline de grande dimension (respectivement 28 et 116 atomes par maille). Nous avons montré que des états tunnel existaient déjà dans ce type de matériaux, avec une densité d'états plus faible, mais qui augmente avec la taille de la maille.

Pour comprendre les mécanismes du transport de la chaleur à l'échelle du nanomètre, nous avons fabriqué des dispositifs suspendus nanostructurés complexes et mesuré leur conductance thermique aux températures cryogéniques, notamment via la méthode 3 oméga. Nous avons pu ainsi démontrer la dépendance du transport des phonons aux dimensions et à la géométrie des nanostructures. Pour des nanofils de silicium d'une longueur comprise entre 8 et 10 µm, et d'une section de 200x100 nm^2, nous observons une déviation au régime diffusif de Casimir sous 5K, que nous pouvons expliquer en tenant compte de la rugosité en surface des nanofils. Quand la température décroit, la longueur d'onde des phonons augmente et des collisions balistiques en surface surviennent, impliquant une augmentation du libre parcours moyen des phonons, considéré comme constant jusque là. D'importants effets mésoscopiques sur le transport des phonons induits par la géométrie des nanofils ont pu être mesurés pour la première fois. La présence de zig-zag sur la longueur des fils bloquent le courant de phonons sur une large gamme de température, ayant pour conséquence une importante réduction de l'ordre de 40% de la conductance thermique en comparaison avec des nanofils droits. En parallèle, des expériences ont été menées sur des NEMS de silicium à basse température, et comparées avec des résultats antérieurs sur des MEMS de même géométrie. Le comportement mécanique des structures de silicium aux petites échelles est également abordé. A la fin de ce manuscrit, sont présentés les premiers prototypes de nano-calorimètres zepto-Joules (10^-21 J), qui vont permettre des caractérisations thermiques extrêmes d'objets uniques mésoscopiques.

The recent discovery of the iron-pnictide superconductors has generated tremendous excitement, in part because there are many tantalizing similarities to the cuprate superconductors. As with the cuprates, it is strongly suspected that the spins contribute to superconductivity. There seems to be a strong relationship between the lattice and magnetism in this system. Several authors have discussed the possibility of spin-phonon coupling, but direct experimental evidence has remained elusive. This work discusses the relationship between the spins and the lattice in the $BaFe_{2}As_{2}$ family. We demonstrate the presence of negative thermal expansion in these materials, which is a strong indicator of spin-lattice interaction. In addition, we have conducted inelastic neutron scattering experiments to examine the dynamical relationship between the spins and the lattice. In particular, we make use of the phenomenon known as magnetovibrational scattering to search for evidence of spin-phonon coupling. We believe that this is the first work to use magnetovibrational scattering in an antiferromagnetic system as a tool to study the spin-phonon interaction. Our results provide direct experimental evidence for the existence of spin-phonon coupling, with possible implications about the role of phonons in the superconductivity of iron pnictides.

This publication-based thesis represents a contribution to the active research field of ultrafast structural dynamics in laser-excited nanostructures. The investigation of such dynamics is mandatory for the understanding of the various physical processes on microscopic scales in complex materials which have great potentials for advances in many technological applications. I theoretically and experimentally examine the coherent, incoherent and anharmonic lattice dynamics of epitaxial metal-insulator heterostructures on timescales ranging from femtoseconds up to nanoseconds. To infer information on the transient dynamics in the photoexcited crystal lattices experimental techniques using ultrashort optical and x-ray pulses are employed. The experimental setups include table-top sources as well as large-scale facilities such as synchrotron sources. At the core of my work lies the development of a linear-chain model to simulate and analyze the photoexcited atomic-scale dynamics. The calculated strain fields are then used to simulate the optical and x-ray response of the considered thin films and multilayers in order to relate the experimental signatures to particular structural processes. This way one obtains insight into the rich lattice dynamics exhibiting coherent transport of vibrational energy from local excitations via delocalized phonon modes of the samples. The complex deformations in tailored multilayers are identified to give rise to highly nonlinear x-ray diffraction responses due to transient interference effects. The understanding of such effects and the ability to precisely calculate those are exploited for the design of novel ultrafast x-ray optics. In particular, I present several Phonon Bragg Switch concepts to efficiently generate ultrashort x-ray pulses for time-resolved structural investigations. By extension of the numerical models to include incoherent phonon propagation and anharmonic lattice potentials I present a new view on the fundamental research topics of nanoscale thermal transport and anharmonic phonon-phonon interactions such as nonlinear sound propagation and phonon damping. The former issue is exemplified by the time-resolved heat conduction from thin SrRuO3 films into a SrTiO3 substrate which exhibits an unexpectedly slow heat conductivity. Furthermore, I discuss various experiments which can be well reproduced by the versatile numerical models and thus evidence strong lattice anharmonicities in the perovskite oxide SrTiO3. The thesis also presents several advances of experimental techniques such as time-resolved phonon spectroscopy with optical and x-ray photons as well as concepts for the implementation of x-ray diffraction setups at standard synchrotron beamlines with largely improved time-resolution for investigations of ultrafast structural processes. This work forms the basis for ongoing research topics in complex oxide materials including electronic correlations and phase transitions related to the elastic, magnetic and polarization degrees of freedom. / Diese publikationsbasierte Dissertation ist ein Beitrag zu dem aktuellen Forschungsgebiet der ultraschnellen Strukturdynamik in laserangeregten Nanostrukturen. Die Erforschung solcher Vorgänge ist unabdingbar für ein Verständnis der vielseitigen physikalischen Prozesse auf mikroskopischen Längenskalen in komplexen Materialien, welche enorme Weiterentwicklungen für technologische Anwendungen versprechen. Meine theoretischen und experimentellen Untersuchungen betrachten kohärente, inkohärente und anharmonische Gitterdynamiken in epitaktischen Metal-Isolator-Heterostrukturen auf Zeitskalen von Femtosekunden bis Nanosekunden. Um Einsichten in solche transienten Prozesse in laserangeregten Kristallen zu erhalten, werden experimentelle Techniken herangezogen, die ultrakurze Pulse von sichtbarem Licht und Röntgenstrahlung verwenden. Ein zentraler Bestandteil meiner Arbeit ist die Entwicklung eines Linearkettenmodells zur Simulation und Analyse der laserinitiierten Atombewegungen. Die damit errechneten Verzerrungsfelder werden anschließend verwendet, um die Änderung der optischen und Röntgeneigenschaften der betrachteten Dünnfilm- und Vielschichtsysteme zu simulieren. Diese Rechnungen werden dann mit den experimentellen Daten verglichen, um die experimentellen Signaturen mit errechneten strukturellen Prozessen zu identifizieren. Dadurch erhält man Einsicht in die vielseitige Gitterdynamiken, was z.B. einen kohärenten Transport der Vibrationsenergie von lokal angeregten Bereichen durch delokalisierte Phononenmoden offenbart. Es wird gezeigt, dass die komplexen Deformationen in maßgeschneiderten Vielschichtsystemen hochgradig nichtlineare Röntgenbeugungseffekte auf Grund von transienten Interferenzerscheinungen verursachen. Das Verständnis dieser Prozesse und die Möglichkeit, diese präzise zu simulieren, werden dazu verwendet, neuartige ultraschnelle Röntgenoptiken zu entwerfen. Insbesondere erläutere ich mehrere Phonon-Bragg-Schalter-Konzepte für die effiziente Erzeugung ultrakurzer Röntgenpulse, die in zeitaufgelösten Strukturanalysen Anwendung finden. Auf Grund der Erweiterung der numerischen Modelle zur Beschreibung von inkohärenter Phononenausbreitung und anharmonischer Gitterpotentiale decken diese ebenfalls die aktuellen Themengebiete von Wärmetransport auf Nanoskalen und anharmonischer Phonon-Phonon-Wechselwirkung (z.B. nichtlineare Schallausbreitung und Phononendämpfung) ab. Die erstere Thematik wird am Beispiel der zeitaufgelösten Wärmeleitung von einem dünnen SrRuO3-Film in ein SrTiO3-Substrat behandelt, wobei ein unerwartet langsamer Wärmetransport zu Tage tritt. Außerdem diskutiere ich mehrere Experimente, die auf Grund der sehr guten Reproduzierbarkeit durch die numerischen Modelle starke Gitteranharmonizitäten in dem oxidischen Perowskit SrTiO3 bezeugen. Diese Dissertation erarbeitet zusätzlich verschiedene Weiterentwicklungen von experimentellen Methoden, wie z.B. die zeitaufgelöste Phononenspektroskopie mittels optischer Photonen und Röntgenphotonen, sowie Konzepte für die Umsetzung von Röntgenbeugungsexperimenten an Standard-Synchrotronquellen mit stark verbesserter Zeitauflösung für weitere Studien von ultraschnellen Strukturvorgängen.

GaAs et AlAs sont deux bons conducteurs de la chaleur. Or, le matériau artificiel obtenu par empilement de couches nanométriques de ces deux matériaux est un mauvais conducteur. 1 Cet effet remarquable de la nanostructuration est encore mal compris mais deux ingrédients semblent devoir être considérés : 1) la modification profonde des courbes de dispersion des phonons (effet "intrinsèque"), 2) la diffusion des phonons par les défauts localisés aux interfaces (effet "non-intrinsèque"). Il est très difficile de quantifier l'importance relative de ces deux effets. Toutefois, les théories basées uniquement sur les effets intrinsèques ne rendent pas compte de la totalité de la réduction de conductivité observée expérimentalement. Ainsi, le point de vue généralement adopté à ce jour associe le mécanisme dominant à la présence de défauts aux interfaces. Le but de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de conduction thermique dans les super-réseaux. Pour celà, nous avons étudié expérimentalement l'importance relative des deux effets, intrinsèque et non-intrinsèque, en comparant les propriétés de deux familles d'échantillons, la première présentant des interfaces quasi-parfaites, la seconde présentant des interfaces dégradées. Nous nous sommes intéressés aux super-réseaux (GaAs)n/(AlAs)n. La croissance de ces matériaux est en effet bien maîtrisée et l'accord de maille quasi-parfait entre GaAs et AlAs permet l'élaboration de super-réseaux présentant des interfaces très abruptes. On contrôle alors la qualité des interfaces en ajustant les conditions de croissance. Au delà de l'intérêt fondamental, les études sur les super-réseaux peuvent être utiles à des applications telles que les dispositifs thermoélectriques ou les lasers à semi-conducteurs. Un certain nombre d'études ont montré qu'un super-réseau pouvait avoir une efficacité thermoélec- trique supérieure à celle d'un matériau massif. Or, l'efficacité d'un matériau thermoélectrique augmente lorsque sa conductivité thermique diminue. Il serait alors avantageux de diminuer la conductivité thermique des super-réseaux thermoélectriques. Par contre, les problèmes d'évacuation de chaleur rencontrés dans les lasers utilisant des super-réseaux (puits quantiques) montrent qu'il serait avantageux d'augmenter la conductivité thermique.

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Thesis (Ph.D)--Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, 2010. / Committee Chair: Yoder, Douglas; Committee Member: Graham, Samuel; Committee Member: Allen, Janet; Committee Member: Klein, Benjamin; Committee Member: Voss, Paul. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.

This dissertation is focused on thermal transport at nanometer scale point and line constrictions and in nanowires with sawtooth surface roughness. To better understand thermal transport at a point contact such as that at the tip-sample junction of a scanning probe microscope, a Non Equilibrium Molecular Dynamics (NEMD) method is employed to calculate the temperature distribution and thermal resistance of a nanoscale point constriction formed between two silicon substrates. The simulation reveals surface reconstruction at the two free silicon surfaces and at the constriction. The radius of the heated zone in the cold substrate approaches a limit of about 20 times the average nearest-neighbor distance of boron doping atoms when the constriction radius (a) is reduced below the inter-dopant distance. The phonon mean free path at the constriction is suppressed by diffuse phonon-surface scattering and phonon-impurity scattering. The MD thermal resistance is close to the ballistic resistance when a is larger than 1 nm, suggesting that surface reconstruction does not reduce the phonon transmission coefficient significantly. When a is 0.5 nm and comparable to the dominant phonon wavelength, however, the NEMD result is considerably lower than the calculated ballistic resistance because bulk phonon dispersion and bulk potential are not longer accurate. The MD thermal resistance of the constriction increases slightly with increasing doping concentration due to the increase in the diffusive resistance. The NEMD method is further employed to calculate the temperature distribution and thermal resistance at nanoscale line constrictions formed between two silicone substrates. Similar to the nano point constriction, the thermal resistance at the nano line constriction is dominated by the ballistic resistance for constriction width in the range of 1 nm to 12 nm. An additional question that this dissertation seeks to answer is whether one can engineer the surface roughness on a nanowire to facilitate phonon backscattering so as to reduce the thermal conductivity below the diffuse surface limit. Monte Carlo simulation is used to show that phonon backscattering can occur at sawtooth surfaces of a silicon nanowire, suppressing the thermal conductivity below the diffuse surface limit. Asymmetric sawtooth nanowire surfaces can further cause phonon rectification, making the axial thermal conductance of the nanowire direction dependent. The phonon backscattering and rectification effects can be employed to enhance the thermoelectric figure of merit of nanowires. / text

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