Quantitative Mapping of Nanothermal Transport via Scanning Thermal Microscopy

این پایان‌نامه به یکی از دشوارترین مشکلات علم و فناوری مدرن در مقیاس نانو می‌پردازد - بررسی اینکه چه چیزی بر پدیده‌های حرارتی در مقیاس نانو حاکم است، چگونه دما را در دستگاه‌هایی با عرض چند اتم اندازه‌گیری کنیم، و چگونه انتقال گرما را مدیریت کنیم. در این مقیاس های طولی گرمای نانومقیاس تولید شده در اجزای ریزپردازنده تنها چند ده نانومتر را نمی توان به طور موثر دفع کرد، بنابراین قانون معروف مور در مورد افزایش سرعت کامپیوتر که اکنون برای بیش از یک دهه معتبر است، متوقف می شود. در این پایان نامه، ژان اسپیس یک چارچوب تجربی و تحلیلی جدید را برای اندازه‌گیری با دقت بالا جریان گرما در مقیاس نانو با استفاده از میکروسکوپ حرارتی روبشی پیشرفته (SThM) که در محیط و محیط خلاء کار می‌کند، توسعه می‌دهد و اولین عملیات SThM برودتی را در جهان گزارش می‌کند. او روش توصیف شده در پایان نامه را برای هادی های حرارتی موثر مبتنی بر نانولوله کربنی به کار می گیرد، پدیده های جدیدی از انتقال حرارتی در مواد دوبعدی (2 بعدی) مانند گرافن و نیترید بور را کشف می کند، در نتیجه الگوی کاملاً جدیدی از خنک کننده ترموالکتریک و تولید انرژی با استفاده از اصلاح هندسی مواد دو بعدی.

The thesis tackles one of the most difficult problems of modern nanoscale science and technology - exploring what governs thermal phenomena at the nanoscale, how to measure the temperatures in devices just a few atoms across, and how to manage heat transport on these length scales. Nanoscale heat generated in microprocessor components of only a few tens of nanometres across cannot be effectively fed away, thus stalling the famous Moore's law of increasing computer speed, valid now for more than a decade. In this thesis, Jean Spièce develops a novel comprehensive experimental and analytical framework for high precision measurement of heat flows at the nanoscale using advanced scanning thermal microscopy (SThM) operating in ambient and vacuum environment, and reports the world’s first operation of cryogenic SThM. He applies the methodology described in the thesis to novel carbon-nanotube-based effective heat conductors, uncovers new phenomena of thermal transport in two- dimensional (2D) materials such as graphene and boron nitride, thereby discovering an entirely new paradigm of thermoelectric cooling and energy production using geometrical modification of 2D materials.