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Two-dimensional graphene, a single layer of graphite, has emerged as an excellent candidate for future electronic material due to its unique electronic structure and remarkably high carrier mobility. Even higher carrier mobility has been demonstrated in graphene devices using hexagonal boron nitride as an underlying dielectric support instead of silicon oxide. Interestingly, both graphene and boron nitride exhibit superior thermal properties, therefore may potentially offer a solution to the increasingly severe heat dissipation problem in nanoelectronics caused by increased power density. In this thesis, we focus on the investigation of the thermal properties of graphene and hexagonal boron nitride. First, scanning thermal microscopy based on a sub-micrometer thermocouple at the apex of a microfabricated tip was employed to image the temperature profiles in electrically biased graphene devices with ~ 100 nm scale spatial resolution. Non-uniform temperature distribution in the devices was observed, and the "hot spot" locations were correlated with the charge concentrations in the channel, which could be controlled by both gate and drain-source biases. Hybrid contact and lift mode scanning has enabled us to obtain the quantitative temperature profiles, which were compared with the profiles obtained from Raman-based thermometry. The temperature rise in the channel provided an important insight into the heat dissipation mechanism in Joule-heated graphene devices. Next, thermal conductivity of suspended single and few-layer graphene was measured using a micro-bridge device with built-in resistance thermometers. Polymer-assisted transfer technique was developed to suspend graphene layers on the pre-fabricated device. The room temperature thermal conductivity values of 1-7 layer graphene were measured to be lower than that of bulk graphite, and the value appeared to increase with increasing sample thickness. These observations can be explained by the impact of the phonon scattering by polymer residue remaining on the sample surfaces. Lastly, thermal conductivity of few-layer hexagonal boron nitride sample was measured by using the same device and technique used for suspended graphene. Measurements on samples with different suspended lengths but similar thickness allowed us to extract the intrinsic thermal conductivity of the samples as well as the contribution of contact thermal resistance to the overall thermal measurement. The room temperature thermal conductivity of 11 layer sample approaches the basal-plane value reported in the bulk sample. Lower thermal conductivity was measured in a 5 layer sample than an 11 layer sample, which again supports the polymer effect on the thermal transport in few-layer hexagonal boron nitride. / text

Dans les applications nucléaires, les propriétés des matériaux peuvent subir des modifications importantes en raison de l'interaction destructive avec l'irradiation de particules au niveau des microstructures, qui affectent les propriétés globales. L'un des défis associés aux études de matériaux irradiés par des ions, c'est que la couche concernée, ou la profondeur de pénétration, est généralement très mince (0,1-100 um). Cette étude élargit la base des connaissances actuelles en matière de transport thermique dans les matériaux irradiés par des ions, en utilisant une approche expérimentale multiéchelles avec des méthodes basées sur des ondes thermiques. D'une manière pas encore explorée auparavant, quatre méthodes sont utilisées pour caractériser la couche irradiée par des protons dans ZrC : la microscopie thermique à balayage (SThM), la radiométrie photothermique (PTR) avec détection sur la face avant et balayage spatial, la thermographie infrarouge lock-In (IRT), et la PTR tomographique avec balayage en fréquence. Pour la première fois, le profil de conductivité thermique en profondeur d'un échantillon irradié est mesuré directement. Les profils obtenus par chacune des méthodes d'analyse spatiale sont comparés les uns aux autres et à la prévision numérique du profil endommagé. La nature complémentaire des différentes techniques valide le profil mesuré et la dégradation constatée de la conductivité thermique de l'échantillon de ZrC. / In nuclear applications, material properties can undergo significant alteration due to destructive interaction with irradiating particles at microstructural levels that affect bulk properties. One of the challenges associated with studies of ion-Irradiated materials is that the affected layer, or penetration depth, is typically very thin (~0.1-100 μm). This study expands the current knowledge base regarding thermal transport in ion-Irradiated materials through the use of a multiscaled experimental approach using thermal wave methods. In a manner not previously explored, four thermal wave methods are used to characterize the proton-Irradiated layer in ZrC including scanning thermal microscopy (SThM), spatial-Scanning front-Detection photothermal radiometry (PTR), lock-In IR thermography (lock-In IRT), and tomographic, frequency-Based PTR. For the first time, the in-Depth thermal conductivity profile of an irradiated sample is measured directly. The profiles obtained by each of the spatial scanning methods are compared to each other and the numerical prediction of the ion-Damage profile. The complementary nature of the various techniques validates the measured profile and the measured degradation of thermal conductivity in the ZrC sample.

Scanning probe microscopes (SPMs) are the highest resolution imaging instruments available today and are among the most important tools in nanoscience. Conventional SPMs suffer from several drawbacks owing to their large and bulky construction and to the use of piezoelectric materials. Large scanners have low resonant frequencies that limit their achievable imaging bandwidth and render them susceptible to disturbance from ambient vibrations. Array approaches have been used to alleviate the bandwidth bottleneck; however as arrays are scaled upwards, the scanning speed must decline to accommodate larger payloads. In addition, the long mechanical path from the tip to the sample contributes thermal drift. Furthermore, intrinsic properties of piezoelectric materials result in creep and hysteresis, which contribute to image distortion. The tip-sample interaction signals are often measured with optical configurations that require large free-space paths, are cumbersome to align, and add to the high cost of state-of-the-art SPM systems. These shortcomings have stifled the widespread adoption of SPMs by the nanometrology community. Tiny, inexpensive, fast, stable and independent SPMs that do not incur bandwidth penalties upon array scaling would therefore be most welcome. The present research demonstrates, for the first time, that all of the mechanical and electrical components that are required for the SPM to capture an image can be scaled and integrated onto a single CMOS chip. Principles of microsystem design are applied to produce single-chip instruments that acquire images of underlying samples on their own, without the need for off-chip scanners or sensors. Furthermore, it is shown that the instruments enjoy a multitude of performance benefits that stem from CMOS-MEMS integration and volumetric scaling of scanners by a factor of 1 million. This dissertation details the design, fabrication and imaging results of the first single-chip contact-mode AFMs, with integrated piezoresistive strain sensing cantilevers and scanning in three degrees-of-freedom (DOFs). Static AFMs and quasi-static AFMs are both reported. This work also includes the development, fabrication and imaging results of the first single-chip dynamic AFMs, with integrated flexural resonant cantilevers and 3 DOF scanning. Single-chip Amplitude Modulation AFMs (AM-AFMs) and Frequency Modulation AFMs (FM-AFMs) are both shown to be capable of imaging samples without the need for any off-chip sensors or actuators. A method to increase the quality factor (Q-factor) of flexural resonators is introduced. The method relies on an internal energy pumping mechanism that is based on the interplay between electrical, mechanical, and thermal effects. To the best of the author???s knowledge, the devices that are designed to harness these effects possess the highest electromechanical Qs reported for flexural resonators operating in air; electrically measured Q is enhanced from ~50 to ~50,000 in one exemplary device. A physical explanation for the underlying mechanism is proposed. The design, fabrication, imaging, and tip-based lithographic patterning with the first single-chip Scanning Thermal Microscopes (SThMs) are also presented. In addition to 3 DOF scanning, these devices possess integrated, thermally isolated temperature sensors to detect heat transfer in the tip-sample region. Imaging is reported with thermocouple-based devices and patterning is reported with resistive heater/sensors. An ???isothermal electrothermal scanner??? is designed and fabricated, and a method to operate it is detailed. The mechanism, based on electrothermal actuation, maintains a constant temperature in a central location while positioning a payload over a range of >35??m, thereby suppressing the deleterious thermal crosstalk effects that have thus far plagued thermally actuated devices with integrated sensors. In the thesis, models are developed to guide the design of single-chip SPMs and to provide an interpretation of experimental results. The modelling efforts include lumped element model development for each component of single-chip SPMs in the electrical, thermal and mechanical domains. In addition, noise models are developed for various components of the instruments, including temperature-based position sensors, piezoresistive cantilevers, and digitally controlled positioning devices.

Les caractérisations thermiques à l'échelle nanométrique restent un défi depuis l'émergence de dispositifs nano structurés. Ayant des avantages en termes de résolution latérale par rapport aux techniques de champ lointain, la microscopie thermique à balayage est devenue un outil essentiel pour la caractérisation locale des propriétés thermiques des matériaux. Dans le cadre du projet européen « Quantiheat », plusieurs laboratoires ont travaillé ensemble pour essayer de comprendre et d'obtenir des mesures quantitatives couvrant les échelles spatiales allant du micro au nanomètre.Ce document contient six chapitres avec quatre parties principales, dans lesquelles des sondes SThM à thermocouples microfilaires ont été utilisées pour améliorer nos connaissances en thermométrie quantitative à cette échelle. Ce type de sonde a été développé et amélioré pendant plusieurs années. Nous démontrons qu'il est adapté pour mesurer la température d’échantillons actifs ainsi que la conductivité thermique d’échantillons passifs.Grâce à la thèse, la dernière version du microscope (matériel, logiciel) et la conception de la sonde sont présentés. Fixé sur un diapason en quartz, la force de contact pointe-échantillon peut être quantifiée. Placé dans une chambre à vide, ce système permet un contrôle complet des paramètres prédominants sur la mesure, tels que la pression de l'air et la force de contact. Les mesures en modes actif et passif ont pu être menées grâce aux échantillons fournis par les partenaires du projet « Quantiheat » afin de démontrer que des mesures quantitatives sont envisageables. En changeant les conditions ambiantes allant du vide primaire à la pression ambiante, les mécanismes de transfert de chaleur de l'échantillon-pointe ont été analysés en détail pour mettre en évidence le rôle prépondérant de l'air et des conductions de contact solide-solide. / Thermal characterizations at nano-scale remain a challenge since the emergence of nano-structured devices. Having advantages in term of lateral resolution compared to far field techniques, the scanning thermal microscopy has become an essential tool for local materials heat transport characterization. In the frame of the European Quantiheat Project, several laboratories have worked together trying to figure out and to obtain quantitative thermal measurements covering spatial scales from the micrometre to the nanometre.This document contains six chapters with four main parts, in which micro-wire thermocouple based SThM probes have been used to enhance our knowledge in quantitative thermometry at this scale. This kind of probe has been developed and improved for several years. We demonstrate that it is adapted for measuring temperature of active samples as well as thermal conductivity of passive samples.Through the dissertation, the last version of the microscope (hardware, software) and probe design are presented. Attached on a quartz tuning fork, the tip-sample contact force can be quantified. Placed in a vacuum chamber, this system permits a full control of predominant parameters on the measurement such as air pressure and contact force. Thanks to samples provided by Quantiheat partners, measurements in active and passive modes have been performed to demonstrate that quantitative measurements are feasible. By changing ambient conditions from primary vacuum to ambient pressure, the tip-sample heat transfer mechanisms have been analysed in detail to reveal the preponderant role of air and solid-solid contact conductions.

La caractérisation thermique est cruciale pour la conception et le développement d'applications critiques dans divers domaines. Elle trouve son utilisation dans la détection de défauts et de points chauds dans la fabrication de semi-conducteurs, l'imagerie sous-sol ainsi que la recherche de transport thermique et de charge à des longueurs inférieures à 100 nm. La capacité de comprendre et de contrôler les propriétés thermiques des nanostructures à un niveau de sous-micron est essentielle pour obtenir les performances souhaitées. Pour atteindre cet objectif, la microscopie thermique à balayage (SThM) est très bien adaptée pour cartographier la conductivité thermique à la surface des matériaux et des appareils à l'échelle nanométrique.SThM est une technique d'imagerie "champ proche". C'est une méthode de contact, la sondeétant en contact avec la surface à une force contrôlée. STHM utilise une structure cantilever identique à celle des sondes utilisées dans un Microscope à Force Atomique (AFM). La principale différence est le fait qu'un capteur thermique est intégré à la pointe de la sonde. En outre, ce capteur peut également être utilisé comme chauffage dans le cas d'éléments thermorésistants tels que Pt ou Pd. Par conséquent, le SThM est le résultat d'un AFM équipé d'une sonde thermique. Cet instrument fournit une résolution sous-micromètre dans la résolution spatiale, c'est-à-dire plus que la résolution des techniques optiques dans la gamme de longueurs d'onde visible. La résolution classique qui est réalisée de nos jours est de l'ordre de moins de 100nanomètres alors que celle obtenue avec la première sonde Wollaston était environ 10 fois plus élevée.Par conséquent, mesurer la température et les propriétés thermiques de la matière à la microscales ont deux objectifs difficiles qui ont monopolisé l'énergie et le temps de nombreux chercheurs partout dans le monde depuis plusieurs décennies. Ces deux objectifs ne sont pas similaires. Tout d'abord, la mesure d'une température dans un domaine dont la dimension caractéristique est inférieure au micromètre semble moins difficile que mesurer la conductivité thermique d'un matériau à cette échelle. [...] / The objective of this thesis is to master quantitative aspects when using nearfield thermal microscopy by using the scanning thermal microscopy technique (SThM). We start by taking an in-depth look into the work performed previously by other scientist and research organizations. From there, we understand the progress the SThM probes have made through the decades, understand the probe sensitivity to the range of conductivity of the materials under investigation, verify the resistances encountered when the probe comes in contact with the sampl and the applications of SThM.Then we look into the equipment necessary for performing tests to characterize material thermal properties. The SThM we use is based on atomic force microscope (AFM) with a thermal probe attached at the end. The AFM is described in this work along with the probes we have utilized.For the purpose of our work, we are only using thermoresistive probes that play the role of the heater and the thermometer. These probes allow us to obtain sample temperature and thermalconductivity. We use two different types of thermal probes – 2-point probe and 4-point probe with SiO2 or with Si3N4 cantilever. Both the probes are very similar when it comes to functioning with the major difference being that the 4-point probe doesn’t have current limiters. Then, we present the use of recent heat-resistive probes allowing to reach a spatial resolution of the orde rof 100 nm under atmosphere and of 30 nm under vacuum. These probes can be used in passive mode for measuring the temperature at the surface of a material or component and in activemode for the determination of the thermal properties of these systems. Using thermoresistive probes means that no specialized devices are necessary for operation. Using simple commercialsolutions like simple AC or DC current and Wheatstone bridge are sufficient to provide basic thermal images. In our case we have also utilized other industrial devices and a home madeSThM setup to further improve the quality of measurement and accuracy. All the elements of the experimental setup have been connected using GPIB and that have been remotely controlled from a computer using a code developed under Python language. This code allows to make the frequency dependent measurement as well as the probe calibration. [...]

Ce mémoire de thèse aborde la caractérisation expérimentale du transfert thermique à l’échelle nanométrique dans des matériaux compatibles avec les procédés de la micro-électronique. Pour cela deux techniques de caractérisation sont appliquées chacune à deux différents systèmes, le silicium mésoporeux irradié et les membranes de silicium suspendues. La première technique de caractérisation est la thermométrie micro-Raman. La puissance du laser chauffe l'échantillon exposé. La détermination de la conductivité thermique nécessite la modélisation de la source de chaleur par la méthode des éléments finis. Dans les cas considérés la modélisation de la source de chaleur repose sur différents paramètres qui doivent être soigneusement déterminés. La seconde technique de caractérisation est la microscopie à sonde locale (d’acronyme anglais SThM), basée sur le principe de la microscopie à force atomique (d’acronyme anglais AFM). Utilisée en mode actif, la sonde AFM est remplacée par une sonde résistive de type Wollaston qui est chauffée par effet Joule. Utilisée en mode AFM contact, cette technique permet une excitation thermique locale du matériau étudié. La détermination de la conductivité thermique nécessite l'analyse de la réponse thermique de la sonde au moyen d'échantillons d'étalonnage et également via la modélisation dans le cas des géométries complexes. L'effet de la position de la pointe sur le transfert de chaleur entre la pointe et l'échantillon est étudié. Une nouvelle méthode de découplage entre le transfert de chaleur entre la pointe et l'échantillon, respectivement à travers l'air et au contact, est proposée pour la détermination de la conductivité thermique des géométries complexes. Les résultats obtenus avec les deux techniques pour les échantillons de silicium mésoporeux irradiés à l’aide d’ions lourds dans le régime électronique sont en bon accord. Ils montrent la dégradation de la conductivité thermique du silicium mésoporeux suite à une augmentation dans la phase d’amorphe lorsque la dose d’irradiation croît. Les résultats obtenus sur les membranes de silicium suspendues montrent une réduction de la conductivité thermique de plus de 50 % par rapport au silicium massif. Lorsque la membrane est perforée périodiquement afin de réaliser une structure phononique de période inférieure à 100 nm, cette réduction est approximativement d’un ordre de grandeur. Un chapitre introduisant un matériau prometteur à base de silicium pour observer des effets de cohérence phononique conclut le manuscrit. / This PhD thesis deals with the experimental characterization of heat transfer at the nanoscale in materials compatible with microelectronic processes. Two characterization techniques are applied to two different systems, irradiated mesoporous silicon and suspended silicon membranes. The first characterization technique is micro-Raman thermometry. The laser power heats up the exposed sample. The determination of the thermal conductivity requires the modeling of the heat source using finite element simulations. The modeling of the heat source relies on different parameters that should be carefully determined. The second characterization technique is Scanning Thermal Microscopy (SThM), an Atomic Force Microscopy (AFM)-based technique. Operated in its active mode, the AFM probe is replaced by a resistive Wollaston probe that is heated by Joule heating. Used in AFM contact mode, this technique allows a local thermal excitation of the studied material. The determination of the thermal conductivity requires the analysis of the thermal response of the probe using calibration samples and modeling when dealing with complicated geometries. The effect of the tip position on heat transfer between the tip and the sample is studied. A new method decoupling the heat transfer between the tip and the sample, at the contact and through air, is proposed for determining the thermal conductivity of complicated geometries. The results obtained from the two techniques on irradiated mesoporous silicon samples using heavy ions in the electronic regime are in good agreement. They show a degradation of the thermal conductivity of mesoporous silicon due to the increase in the amorphous phase while increasing the ion fluence. The results obtained on suspended silicon membrane strips show a decrease in the thermal conductivity of more than 50 % in comparison to bulk silicon. When perforated into a phononic structure of sub-100 nm period, the membrane thermal conductivity is about one order of magnitude lower than the bulk. A chapter introducing a promising silicon-based material for the evidence of phonon coherence concludes the manuscript.

Deux techniques de caractérisation thermique des matériaux et d’analyse du transfert de chaleur aux micro- et nano- échelles ont été étudiées et sont présentées dans ce mémoire. La première technique est la microscopie thermique à sonde locale (SThM). La pointe d’un microscope à force atomique intègre un élément résistif. Utilisée en mode contact, cette pointe, chauffée par effet joule, permet l'excitation thermique localisée de l’échantillon. La détermination des propriétés thermiques de l’échantillon nécessite l'analyse de la réponse de cette pointe avec un modèle du système sonde-échantillon et de son environnement. Un état de l'art général des études réalisées en SThM permet de poser les questions scientifiques actuellement traitées dans le domaine. Une attention particulière est accordée à l'interaction thermique sonde-échantillon. L’étude ici présentée tient compte des propriétés thermiques, de la rugosité et de la mouillabilité de la surface de différents échantillons. Une nouvelle méthodologie est établie pour la spécification du transfert de chaleur échangée par conduction thermique au travers du ménisque de l'eau formé au contact sonde-échantillon. Cette méthodologie est basée sur l'analyse de la dépendance à la température de la sonde des courbes de force-distance obtenues à l'air ambiant. Elle est appliquée à trois sondes de taille, forme et constitution différentes: la sonde Wollaston, la sonde KNT et une sonde en silicium dopé. Quels que soient la sonde et l'échantillon, la contribution du ménisque d’eau à l'interaction est montrée être inférieure à celle de l'air. La conductance thermique au contact solide-solide est déterminée pour différents échantillons. Cela a permis d’identifier le coefficient de transmission de phonons dans le cas de la sonde KNT et des échantillons non-métalliques. La conduction thermique via l’air dépend fortement de la conductivité thermique de l'échantillon. La sensibilité à la conductivité thermique pour les sondes Wollaston et KNT est part ailleurs montrée fortement réduite pour les matériaux de conductivité thermique supérieure à 10 et quelques W.m-1.K-1 respectivement. La seconde technique développée est une méthode d’analyse thermique moins locale nécessitant l’instrumentation de la surface de l’échantillon avec un réseau de sondes résistives filiformes. L’un des fils du réseau, chauffé par un courant alternatif à la fréquence f, a le rôle de source excitatrice continue et à la fréquence 2f de l’échantillon. Un modèle analytique 2D, basé sur le principe des ondes thermiques et développé pour identifier les propriétés thermiques d’échantillons anisotropes est présenté. Des simulations par éléments finis et avec ce modèle ont été utilisées pour dimensionner le montage expérimental et valider la méthode sur un échantillon de silicium pur. Les résultats obtenus à des températures de l’échantillon variant de l’ambiante à 500 K corroborent ceux de la littérature. / Two techniques to characterize the thermal properties of materials and to analyze the heat transfer at the micro/nanoscales have been studied and are presented in this manuscript. The first technique is an Atomic Force Microscopy (AFM)-based Scanning Thermal Microscopy (SThM) technique. Operating in its active mode, the AFM probe integrates a resistive element that is electrically heated. Used in AFM contact mode, it allows the localized thermal excitation of the material to be studied. The determination of the sample thermal properties requires the analysis of the probe thermal response through the modeling of the probe-sample system including its surrounding. Through a state of the art of the SThM studies, the current scientific questions and the analytical models used to analyze the probe-sample system are exposed. Special attention is given to the probe-sample thermal interaction that conditions the tip-sample interface temperature. In this work, a new methodology based on the analysis of the dependence of force-distance curves on probe temperature obtained in ambient air has been established. It permits the study and the specification of the heat rate exchanged between probe and sample through thermal conduction through water meniscus. The methodology has been applied with samples with different thermal properties, surface roughness and wettability to three resistive probes different in size and heater configurations: Wollaston, KNT and doped silicon (DS) probes. Whatever the probe and the sample are, the contribution of water meniscus in the probe-sample interaction has been shown to be lower than the one through air. The thermal conductances at the solid-solid contact were determined for various samples. This allowed identifying the phonon transmission coefficient in the case of KNT probe and a nonmetallic sample. The heat conduction through air strongly depends on the sample thermal conductivity. Moreover, the sensitivity to sample thermal conductivity for the Wollaston and KNT probes is shown to be strongly reduced for thermal conductivities larger than 10 and few W.m-1.K-1 respectively. The second technique developed in this thesis is a less local thermal analysis method. It operates by contact, requiring the implementation of the sample with a network of resistive wire probes. One wire of the network is heated by an alternating current at frequency f and has the role of heating source, continuous and at 2f frequency, for the sample. A 2D analytical model, based on the principle of thermal-waves, was developed to identify though the measurements the effective thermal properties of anisotropic samples. Finite element simulations and this model were used to design the experimental set-up and validate the method on a sample of pure silicon. The results obtained at sample temperatures ranging from ambient to 500 K are consistent with literature.