Thermal conductivity of deca-nanometric patterned Si membranes by multiscale simulations

Autor: Pier Luca Palla, Evelyne Martin, Jean-François Robillard, Hayat Zaoui, David Lacroix, Fabrizio Cleri, Konstantinos Termentzidis, Stefano Giordano, Maxime Verdier
Přispěvatelé: Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), Physique-IEMN (PHYSIQUE-IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), Acoustique Impulsionnelle & Magnéto-Acoustique Non linéaire - Fluides, Interfaces Liquides & Micro-Systèmes - IEMN (AIMAN-FILMS-IEMN), Laboratoire Énergies et Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA ), Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Microélectronique Silicium - IEMN (MICROE SI - IEMN), Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (CETHIL), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), IMPACT N4S, ANR-15-IDEX-0004,LUE,Isite LUE(2015), Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) - UMR 8520 (IEMN), Ecole Centrale de Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Laboratoire International associé sur les phénomènes Critiques et Supercritiques en électronique fonctionnelle, acoustique et fluidique (LIA LICS/LEMAC), Ecole Centrale de Lille-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Ecole Centrale de Lille-Université de Lille-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), Physique - IEMN (PHYSIQUE - IEMN), Acoustique Impulsionnelle & Magnéto-Acoustique Non linéaire - Fluides, Interfaces Liquides & Micro-Systèmes - IEMN (AIMAN-FILMS - IEMN), Microélectronique Silicium - IEMN (MICROELEC SI - IEMN), AcknowledgementsCalculations were performed on the facilities of IEMN (clustphy), of IJL-LEMTA (Ermione cluster) and on the computational ressources from GENCI (Grand Equipement National de CalculIntensif) (Grants No. [2014]-x2014097186 and [2016:2017]-A001097600)., Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Département Opto-Acousto-Électronique - UMR 8520 (IEMN-DOAE), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-INSA Institut National des Sciences Appliquées Hauts-de-France (INSA Hauts-De-France)-Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-INSA Institut National des Sciences Appliquées Hauts-de-France (INSA Hauts-De-France), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon
Rok vydání: 2018
Předmět:
Zdroj: International Journal of Heat and Mass Transfer
International Journal of Heat and Mass Transfer, Elsevier, 2018, 126, pp.830-835. ⟨10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.06.004⟩
International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, 126, pp.830-835. ⟨10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.06.004⟩
ISSN: 0017-9310
Popis: International audience; The hollowing of silicon membranes to form a lattice of cylindrical holes, also called phononic crystal, has been used by several experimental groups willing to fabricate efficient thermoelectric modules. The idea is to reduce the thermal conductivity without impacting the electronic conductivity. For several a priori identical materials, i.e. thin films containing periodic cylindrical holes, drastically different levels of thermal conductivity reduction have been reported in the literature: from 1–2 W K−1 m−1 to 15–40 W K−1 m−1, i. e. half the thermal conductivity of the plain membrane. These differences may be due to variations in the geometrical patterns, or to the technological processes specific to each group. It is therefore highly desirable to understand which level of reduction can be expected from the basic concept. In this work, we address the question by applying a fully atomistic framework, the approach-to-equilibrium molecular dynamics (AEMD), to study two deca-nanometric patterns used in the literature and reported respectively with a high and low level of thermal conductivity reduction. For both patterns, the thermal conductivity roughly decreases by a factor 2 only compared to the plain membrane. Thanks to Monte Carlo simulations, in agreement with AEMD for the two patterns, we propose that the origin of stronger reductions could be an increase of the surface roughness during the step of hole fabrication.
Databáze: OpenAIRE
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