Inhibition de la propagation des phonons dans un nanocomposite
Phonon propagation inhibition in nanocomposites
Valentina Giordano, Amani Tlili (équipe Energie) et Samy Merabia (équipe MMCI), en collaboration avec des collègues de Lyon et de Saint Petersbourg, ont publié un article intitulé "Anticipation et exaltation de la limite de Ioffe-Regel dans des nanocomposites amorphes/cristal" dans la revue Nanoscale.
Valentina Giordano, Amani Tlili (Energy team) and Samy Merabia (MMCI team), with colleagues from Lyon and St Petersbourg, published an article entitled "Enhancement and anticipation of the Ioffe-Regel crossover in amorphous/nanocrystalline composites" in the journal Nanoscale.
Dans la quête de matériaux de plus en plus performants du point de vue thermique, et notamment avec une très basse conductivité thermique, les nanocomposites se sont révélés très prometteurs. Toutefois, une véritable panoplie de propriétés thermiques a été reportée en littérature, avec des conductivités thermiques très réduites comme aussi très exaltées suite à la nanostructuration. Aujourd’hui la théorie peine encore à donner une explication microscopique de cette variété.
Les auteurs ont utilisé la dynamique moléculaire pour étudier la propagation des ondes élémentaires de la chaleur, les phonons, dans des nanocomposites faits d’une matrice amorphe avec des nanoinclusions cristallines. Ils ont pu montrer que les nanoinclusions diffusent fortement les phonons avec des longueurs d’onde comparables à la nanostructure, réduisant leur temps de vie, ainsi qu’ils n’arrivent plus à se propager. Ainsi il y a moins de phonons propagatifs dans un nanocomposite que dans le matériau pure. Cette réduction affecte dramatiquement le transport de la chaleur lorsque les phonons propagatifs sont les principaux porteurs de la chaleur dans le matériau. Si cela n’est pas le cas, comme par exemple dans le silicium amorphe, l’effet peut être négligeable et la conductivité thermique peut aussi augmenter grâce à la contribution des nanoparticules plus conductrices que la matrice. Ainsi, le comportement thermique dépendra d’un équilibre entre rôle des phonons propagatifs dans le transport thermique et l’impacte de la nanostructure sur leur nombre.
Les auteurs ont utilisé la dynamique moléculaire pour étudier la propagation des ondes élémentaires de la chaleur, les phonons, dans des nanocomposites faits d’une matrice amorphe avec des nanoinclusions cristallines. Ils ont pu montrer que les nanoinclusions diffusent fortement les phonons avec des longueurs d’onde comparables à la nanostructure, réduisant leur temps de vie, ainsi qu’ils n’arrivent plus à se propager. Ainsi il y a moins de phonons propagatifs dans un nanocomposite que dans le matériau pure. Cette réduction affecte dramatiquement le transport de la chaleur lorsque les phonons propagatifs sont les principaux porteurs de la chaleur dans le matériau. Si cela n’est pas le cas, comme par exemple dans le silicium amorphe, l’effet peut être négligeable et la conductivité thermique peut aussi augmenter grâce à la contribution des nanoparticules plus conductrices que la matrice. Ainsi, le comportement thermique dépendra d’un équilibre entre rôle des phonons propagatifs dans le transport thermique et l’impacte de la nanostructure sur leur nombre.
In the search of novel materials with optimized thermal properties, and more specifically with low thermal conductivity, nanocomposites have proved to be very promising. However, a large panoply of thermal properties have been reported in literature on nanocomposites, with thermal conductivities extremely small as well as much larger than in the parent materials. Today, theory still struggles for giving a microscopic understanding of such variety.
The authors have used molecular dynamics for studying the propagation of the elementary waves of heat, phonons, in nanocomposites made of an amorphous matrix with nanocrystalline inclusions.
They have shown that nanoinclusions strongly scatter phonons with a wavelength comparable with the nanostructure, reducing their life time, so that they cannot propagate anymore. As such, there are less propagative phonons in the nanocomposite than in the pure material. This reduction dramatically affects thermal transport when propagative phonons are the main heat carriers. If this is not true, as in amorphous silicon, the effect may be negligible and thermal conductivity may even be enhanced thanks to the contribution from the more conductive nanoparticles. The thermal behavior of the nanocomposite is thus the result of a delicate balance between the role played in thermal transport by propagative phonons and the impact of the nanostructure on their number.
The authors have used molecular dynamics for studying the propagation of the elementary waves of heat, phonons, in nanocomposites made of an amorphous matrix with nanocrystalline inclusions.
They have shown that nanoinclusions strongly scatter phonons with a wavelength comparable with the nanostructure, reducing their life time, so that they cannot propagate anymore. As such, there are less propagative phonons in the nanocomposite than in the pure material. This reduction dramatically affects thermal transport when propagative phonons are the main heat carriers. If this is not true, as in amorphous silicon, the effect may be negligible and thermal conductivity may even be enhanced thanks to the contribution from the more conductive nanoparticles. The thermal behavior of the nanocomposite is thus the result of a delicate balance between the role played in thermal transport by propagative phonons and the impact of the nanostructure on their number.
A basse énergie et longue longueur d’onde, les phonons se propagent bien dans un amorphe (gauche) comme dans un nanocomposite (droite – le lignes blanches marquent la position des nanoinclusions). Toutefois, à haute énergie, quand la longueur d’onde devient comparable avec la nanostructure, cela n’est plus vrai et les phonons n’arrivent plus à se propager dans le nanocomposite.
At low frequency, long wavelength, phonons propagate similarly in the amorphous (left) and in the nanocomposite (right – dashed lines mark the nanoinclusions position). However at high frequency and wavelength comparable with the nanostructure, this is not true anymore and the phonon does not propagate in the nanocomposite.