Acquisition d’un matériel d’imagerie de thermoréflectance multispectrale à haute résolution
Contexte scientifique
La résolution des problèmes liés à la demande grandissante en énergie passe par le développement de méthodes de production d’énergie plus respectueuses de l’environnement – les énergies durables – et par l’optimisation des processus consommateurs d’énergie.
C’est pourquoi, depuis quelques années, les travaux au sein de notre laboratoire ont été orientés vers l’étude de matériaux pour la conversion, la production d’énergie ou l’optimisation des processus consommateurs d’énergie. Notre équipe s’est inscrite de manière résolue dans cet axe prioritaire pour l’Université du Littoral Côte d’Opale et la Région Hauts de France. Dans ce cadre, notre intérêt s’est porté sur deux grandes familles de matériaux : les matériaux électrocaloriques (EC) et les matériaux thermoélectriques (TE).
Les matériaux EC sont utilisés sous différentes formes (couches minces, forme massive, empilement de couches, …) pour la fabrication de modules de refroidissement. Notre travail porte sur les propriétés électrocaloriques et les performances de différents matériaux ferroélectriques solides, liquides ou cristaux liquides. Le laboratoire possède l’expertise nécessaire pour l’élaboration de ces matériaux à base de polymère (PVDF TrFe), d’oxydes ferroélectriques (Titanate de baryum dopé au samarium) ou de cristaux liquides ferroélectriques. L’équipe a également élaboré et caractérisé différents matériaux TE, notamment des nanocomposites thermoélectriques hybrides polymères/quantum dot [1]. La matrice, constituée d’un mélange de polymères (PEDOT:PSS), contient des inclusions nanostructurées composées de de quantum dots d’oxyde de Titane (TiO2) déposés sur des nanofeuillets d’oxyde de graphène.
Défi métrologique
Les propriétés thermophysiques des différents matériaux décrits ci-dessus jouent un rôle primordial lorsque ceux-ci sont utilisés dans des applications électrocaloriques ou thermoélectriques. En effet, les performances liées à la conversion énergétique des matériaux TE dépendent directement de leur conductivité thermique, et l’amélioration des performances des dispositifs électrocaloriques passe par l’optimisation de leurs propriétés thermophysique (conductivité thermique, diffusivité thermique, capacité calorifique).
L’étude des phénomènes de transport thermiques dans ces systèmes complexes (nanostructurés, hybrides, anisotropes, inhomogènes) nécessite des outils de plus en plus performants en termes de résolutions spatiale et temporelle.
Notre laboratoire possède une expertise reconnue au niveau international dans la caractérisation des propriétés thermophysiques et électroniques de matériaux solides ou liquides [2-4]. En particulier, nous développons des méthodes d’analyses originales exploitant la génération et la détection d’ondes thermiques permettant la caractérisation d’échantillons en couches minces solides ou liquides en faible quantité.
Nous disposons également d’un banc de mesure par thermoréflectance a mis au point au laboratoire [2] permettant de mesurer la variation de température électrocalorique en fonction de la fréquence dans des films minces. Il s’agit d’une technique qui exploite un faisceau laser sonde qui permet une mesure des gradients de température à partir de la mesure locale des variations de l’intensité lumineuse réfléchie par la surface, en fonction des oscillations de températures locales.
Cette technique photothermique utilisant un faisceau laser, soit pour générer les ondes thermiques, soit pour sonder le gradient thermique crée, permet seulement une mesure thermique ponctuelle (taille du faisceau laser) dans l’échantillon. Cette technique ne donne pas accès à la distribution de température à la surface de l’échantillon et donc ne rendent pas compte de l’anisotropie, des inhomogénéités ou des effets de bords dans le matériau.
Afin d’accéder à une imagerie thermique de haute résolution -qui permet d’obtenir une cartographie du champ de température et par suite une cartographie des propriété thermophysique- la thermoréflectance en champ large, qui combine un microscope et une caméra CCD, doit nous permettre de franchir une étape supplémentaire dans l’étude des matériaux et des composants EC et TE.
Présentation du matériel acquis
Dans le cadre du CPER Manifest, l’UDSMM a bénéficié d’un équipement important (Figure 1) qui vient élargir la palette des outils de caractérisation thermique de notre laboratoire. Il s’agit d’un système d’imagerie thermique (SanjSCOPE™ EZ-THERM) utilisant la thermoréflectance en champ large et en détection synchrone (Lock-in).
Le principe de fonctionnement d’un tel système est illustré dans la figure 2 [5]. Une diode électroluminescente (LED) dont la longueur d’onde est sélectionnée par un barillet illumine l’échantillon à étudier. La lumière réfléchie est recueillie par une caméra CCD à l’aide d’un objectif de microscope adapté à l’échantillon étudié. A partir du changement de réflectivité (R) et utilisant le coefficient de thermoréflectance (CTR) déterminé à l’issue d’une procédure de calibration, il est possible de mesurer la température (ΔT=1/CTR (ΔR/R0)) et d’obtenir une cartographie (2D) de la température absolue de la surface de l’échantillon. La figure (2b) montre la variation de l’intensité lumineuse réfléchie par l’échantillon et captée par la caméra CCD. La procédure de calibration révèle la distribution de température 2D à la surface de l’échantillon (figure 2c). Ce système permet ainsi des mesures avec une résolution spatiale jusqu’à 200 nm et une résolution temporelle de l’ordre de 100 ns.
Ce type de mesure, rare pour les matériaux TE et EC, présente l’avantage d’être sans contact et par conséquent non destructif. Ce microscope thermique, généralement utilisé pour l’analyse de fiabilité de dispositifs électroniques et optoélectroniques à l’échelle microscopique, sera adapté de manière originale à l’étude thermophysique des matériaux TE et EC.
[1] Shivani Shisodia, Benoit Duponchel, Gérard Leroy, Abdelhak Hadj Sahraoui, Dharmendra Pratap Singh, Christophe Poupin, Lucette Tidahy, Renaud Cousin, Patrick Ropa, and Michael Depriester. Synthesis of quantum dot-based polymer nanocomposites: assessment of their thermoelectric performances. Sustainable Energy & Fuels, 6(13):3158–3168, 2022.
[2] Elie Badine, Mathieux Bardoux, Nadine Abboud, Michael Depriester,St ́ephane Longuemart, Ziad Herro, and Abdelhak Hadj Sahraoui. Thermoreflectance profile analysis and multiparameter 3d fitting model applied to the measurement of thermal parameters of thin film materials. Journalof Physics D: Applied Physics, 52(20):205303, 2019.
[3] Kuriakose, M., Depriester, M., Dadarlat, D., & Hadj Sahraoui, A.
Improved methods for measuring thermal parameters of liquid samples using photothermal infrared radiometry. Measurement Science and Technology, 24(2), 025603, 2013.
[4] K Touati, M Depriester, A Hadj Sahraoui, C Tripon, and D Dadarlat. Combined photopyroelectric-photothermoelectric detection for thermal characterization of liquid thermoelectrics. Thermochimica Acta, 642:39–44, 2016.
[5] Amirkoushyar Ziabari, Pol Torres, Bjorn Vermeersch, Yi Xuan, XavierCartoix`a, Alvar Torell ́o, Je-Hyeong Bahk, Yee Rui Koh, Maryam Parsa,Peide D Ye, et al. Full-field thermal imaging of quasiballistic crosstalkreduction in nanoscale devices.Nature communications, 9(1):1–7, 200]
