Optimisation et validation d’un modèle 3D par méthode des éléments finis associé à la mesure de conductivité thermique par SThM sur des nanostructures H/F

Leader dans l’univers de la mesure et des références, jouissant d’une forte notoriété en France et à l’international, le LNE soutient l’innovation industrielle et se positionne comme un acteur important pour une économie plus compétitive et une société plus sûre.

Au carrefour de la science et de l’industrie depuis sa création en 1901, le LNE offre son expertise à l’ensemble des acteurs économiques impliqués dans la qualité et la sécurité des produits

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Pilote de la métrologie française, notre recherche est au cœur de notre mission de service public et constitue un facteur fondamental au soutien de la compétitivité des entreprises.

Nous avons à cœur de répondre aux exigences des industriels et du monde académique, pour des mesures toujours plus justes, effectuées dans des conditions de plus en plus extrêmes ou sur des sujets innovants tels que les véhicules autonomes, les nanotechnologies ou la fabrication additive.

Contexte :

L’industrie des semi-conducteurs poursuit sa course à la miniaturisation. Aujourd’hui, ce ne sont plus uniquement les matériaux utilisés qui présentent des dimensions nanométriques, mais les dispositifs eux-mêmes. Cette réduction d’échelle conduit à une augmentation de la densité de flux de chaleur dans les dispositifs (augmentation du nombre de composants actifs dans un volume réduit). La gestion thermique de ces dispositifs est donc essentielle pour pouvoir évacuer efficacement la chaleur dissipée et ainsi préserver les performances et la fiabilité des composants. Les modèles et simulations électrothermiques permettant la conception et l’optimisation de ces nouveaux composants nécessitent la connaissance des propriétés thermiques des matériaux constitutifs de ces dispositifs.

Pour répondre à cette problématique, l’équipe Matériaux du Laboratoire National de Métrologie et d’Essais (LNE, île de France) travaille notamment à l’amélioration de la traçabilité de ses mesures de conductivité thermique à nanoéchelle par microscopie thermique à sonde locale (SThM). Pour cela, l’équipe a développé un protocole d’étalonnage en conductivité thermique de son équipement SThM à partir de matériaux caractérisés en conductivité thermique à l’échelle macroscopique puis a déterminé les incertitudes associées à ses mesures de conductivité thermique par SThM. Ces travaux ont été réalisés à pression atmosphérique, sous air ambiant, avec des échantillons de faible rugosité (Ra<20 nm). En parallèle un modèle 3D par éléments finis a été développé pour simuler le comportement électrothermique de la pointe ainsi que les transferts thermiques entre la pointe et l’échantillon. Une étude complémentaire est nécessaire pour confronter ce modèle aux mesures expérimentales. La réalisation de mesures et de courbes d’étalonnage dans différentes conditions de mesures (vide, gaz sec, air, force d’appui) doit permettre de quantifier la contribution des différents facteurs d’influence étudiés et ainsi d’affiner le modèle. L’objectif de ces travaux est de pouvoir, in fine, évaluer le volume thermique sondé et ainsi déterminer les conditions optimales pour la caractérisation de nanostructures (nanofils, poutres suspendues, membranes).

Missions :

Le(a) stagiaire aura en charge la réalisation ainsi que l’analyse des mesures, l’amélioration et la validation du modèle 3D et ce autour de quatre étapes clés :

1. Prise en main du SThM : microscope à force atomique et module thermique (pointe thermorésistive + pont de Wheatstone) et de la ligne vide ;
2. Réalisation de courbes d’étalonnage : sélection des matériaux étalons et réalisations des mesures sous différentes conditions environnementales pour chaque matériau ;
3. Analyse des données : tracé des courbes d’étalonnage, évaluation de la contribution des facteurs d’influences, optimisation du modèle théorique de transferts thermiques pointe-échantillon (Comsol multiphysics), validation du modèle ;
4. Mesures sur des échantillons de conductivité thermique inconnue.

Vous recherchez un stage dans le cadre de votre Master 2 ou de votre dernière année d’école d’ingénieur en physique, science des matériaux ou équivalent avec une spécialisation en énergétique, nanotechnologies ou métrologie.

Vous avez des connaissances en transferts thermiques et modélisation par éléments finis, des aptitudes en instrumentation (idéalement en microscopie à sonde locale), et des notions de technique du vide.

Vous maîtrisez les outils de bureautique du pack Office.

Vous êtes reconnu(e) pour votre rigueur, votre autonomie, votre aptitude à travailler en équipe et vous avez de bonnes capacités de synthèse.

Ce stage pourra donner lieu à une thèse.