Nanothermométrie résolue en temps par spectroscopie photon-électron // Time-resolved nanothermometry by photon–electron spectroscopy

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.
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The miniaturization of electronic devices has created a critical need to understand heat transport at the nanoscale, now a key factor limiting performance. At the same time, the development of efficient thermoelectric solutions requires structures combining low thermal conductivity with high electrical conductivity. When device dimensions approach the phonon mean free path—the main heat carriers in semiconductors and insulators—heat transport enters non-classical regimes. In this context, probing thermal fluxes and phonon dynamics at relevant length and time scales (nanometer, nanosecond) is essential to understand and ultimately control heat transport in nanostructures.

Electron energy loss spectroscopy (EELS) in scanning transmission electron microscopy (STEM) has recently emerged as a powerful tool, enabling the phonon density of states to be probed with nanometer to atomic-scale spatial resolution. This provides unique access to local thermal properties, including temperature variations, down to a few atomic planes near interfaces. However, such high spatial resolution has so far remained difficult to combine with time resolution relevant to heat transport phenomena.

Recent instrumental advances are overcoming this limitation. The emergence of time-resolved pixelated electron detectors enables access to nanosecond dynamics. In parallel, integrating focused optical excitation within the microscope allows localized light–matter interactions to be probed via electron spectroscopy. At LPS Orsay, combining these approaches has led to a novel nanothermometry technique based on synchronized photonic excitation and electron detection in nanostructures. This method simultaneously achieves nanometer spatial and nanosecond temporal resolution, opening a new field of ultrafast spectroscopy of thermal and phononic properties.

This PhD project will exploit this approach to investigate heat transport in various nanostructures along three main directions: (i) semi-ballistic transport in semiconductor nanostructures with dimensions below the phonon mean free path; (ii) thermal boundary (Kapitza) resistance in semiconductor and thermoelectric heterostructures, characterized by localized temperature drops; (iii) phonon transport in two-dimensional materials, where reduced dimensionality leads to unconventional regimes, including hydrodynamic effects.

These studies will leverage the multimodal capabilities of the microscope, enabling the acquisition of rich, correlated datasets within a single experiment and providing new insight into complex nanoscale thermal phenomena. This highly exploratory PhD project relies on a unique experimental platform combining advanced electron spectroscopy, in situ optical excitation, nanostructure fabrication (electron-beam lithography, metal evaporation), and thermal transport modeling.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

- Curiosité et dynamisme ; - Physique de la matière condensée ; - Interaction photons / électrons avec la matière ; - Propriétés thermiques des solides, physique des phonons ; - Attrait pour la physique expérimentale ; - Attrait pour les nouveaux concepts en physique - Connaissances en programmation informatique, notamment en Python ; - Attention aux détails et à la systématisation des expériences ;  
- Curiosity and motivation - Condensed matter physics - Photon–electron interactions with matter - Thermal properties of solids, phonon physics - Strong interest in experimental physics - Interest in emerging concepts in physics - Programming skills, particularly in Python - Attention to detail and systematic approach to experiments