Gilles PERNOT

Techniques de recherche

1.      Thermoreflectance laser en régime femtoseconde et continu

2.      Acoustique picoseconde

3.      Échantillonnage optique homodyne et hétérodyne en régime femtoseconde

4.      Asservissement en fréquence de cavité laser femtoseconde

5.      Modélisation des transferts thermiques par méthode des quadripôles thermiques

6.      Processus superdiffusifs / vol de Lévy de phonons

7.      Spectroscopie térahertz de phonons cohérents

Thèmes

Contexte général :

Ces travaux de recherche s’articulent autour de l’étude du transport thermique et acoustique dans des structures à basses dimensionnalités. Les études théoriques et expérimentales montrent que les propriétés de ces structures sont fortement modifiées par la structuration à l’échelle nanométrique par rapport à celles des matériaux massifs. Les mécanismes expliquant ces effets sont encore peu compris. Le but de ces travaux est double : il comprend un approfondissement des connaissances des phénomènes de transport dans ce type de structures mais également la mise en œuvre de nouvelles méthodes de caractérisation de leurs propriétés mécaniques et thermiques.

L’étude de ce nouveau type de matériaux requiert l’utilisation de méthodes instrumentales disposant d’une grande résolution spatiale et/ou temporelle. La thermoréflectance pompe-sonde utilisant des impulsions femtosecondes s’avère particulièrement adaptée car elle permet d’atteindre une résolution temporelle sub-picoseconde. L’équipe de « photonique et nanomatériaux »  dirigée par le professeur Stefan Dilhaire a développé un nouveau système d’échantillonnage optique appelé thermoréflectance pompe-sonde hétérodyne. L’échantillonnage hétérodyne permet de diminuer de plusieurs ordres de grandeur les temps d’acquisition comparée aux méthodes d’échantillonnage classiques. Nous avons également intégré un système de lentille mobile permettant de réaliser des cartographies thermiques avec une cadence de 1 Téra-image par seconde.

Spectroscopie Téra-Hz de phonons cohérents :

Un des effets les plus remarquables de la structuration à l’échelle nanométrique est le repliement du spectre de dispersion acoustique observé dans un super-réseau de manière similaire aux matériaux photoniques.

Figure 1 : (Gauche) représentation schématique d’une nanostructure périodique. (Droite)  Spectre de la réponse réflectométrique dans ce type de structure.

La technique de thermoreflectance hétérodyne nous a permis de mettre en évidence expérimentalement l’intégralité de la mini-zone de Brillouin des super-réseaux. Ces résultats ont été publiés dans la revue Physical Review B en 2007.

Ingénierie de propriétés thermiques :

Dans le cadre d’une collaboration internationale incluant l’équipe du professeur A. Rastelli (Institute for Integrative Nanosciences, IFW Dresden, Allemagne) et le CEA Liten de Grenoble (N. Mingo), nous avons étudié la conductivité de  nano-matériaux, déposés par épitaxie par jet moléculaire (MBE), et dont les interfaces sont constituées de nanoparticules de Germanium (Figure 5 a et b).

Figure 2 : (a) Vue 3D d’une image STM d’un ilot de Ge individuel. (b) Image MET d’un multicouche de 10 périodes pour dSi = 12nm. (c) Conductivité thermique identifiée par Thermoréflectance, par méthode 3ω et théorique prédite par modèle des interfaces diffusantes (Diffuse Mismatch Model).

Nous avons montré que la conductivité thermique effective des nouveaux matériaux pouvait atteindre des valeurs inférieures à la limite des matériaux amorphes (0.8W/m.K). Nous avons également montré que le transport des phonons dans les couches de Si est balistique et que les îlots de Ge agissent comme des « barrières phononiques ». Il apparait alors que la conductivité thermique de ces structures suit un comportement linéaire en fonction de l’épaisseur des couches de Si (Figure 5-c). Cette observation constitue un résultat majeur pour le contrôle des propriétés thermiques des nanomatériaux. Ces résultats ont été publiés dans la revue « Nature Materials » en 2010.

Au-delà des lois classiques de la diffusion de la chaleur :

Des études théoriques ont montrés que la conductivité thermique des matériaux étant dépendante de la fréquence d’excitation du champ thermique. Il a été montré récemment, par la méthode de Thermoréflectance pompe-sonde, que pour des oscillations du champ thermique de l’ordre du MHz, la conductivité thermique des alliages semi-conducteurs diminue d’un facteur 2 par rapport aux valeurs mesurées par des méthodes quasi-statiques. Les auteurs ont attribué ces surprenants résultats à une dépendance en fréquence de la conductivité thermique. A ce jour, cette explication est sujette à débat. De nombreuses études théoriques et expérimentales ont été publiées mais aucune ne fournit d’explication claire. En collaboration avec le groupe du professeur Ali Shakouri, nous avons participé à l’élaboration d’une nouvelle approche permettant d’inclure le transport balistique au sein du modèle diffusif de Fourier. Cette nouvelle approche démontre que lorsque les dimensions de la source de chaleur sont comparables au libre parcours moyen des porteurs d’énergie alors la dynamique brownienne induisant la diffusion n’est plus valide, les porteurs de chaleur se comportent alors comme des « marcheurs de Lévy ». Ce phénomène de propagation est appelé « superdiffusivité ».

Figure 3 : (a) Marcheurs browniens et de Lévy. (b) Champ des températures pour une diffusion de type Fourier et superdiffusion de Lévy.

Comme le montre la Figure 3, un modèle superdiffusif prédit une extension spatiale plus importante de la chaleur aux temps courts comparé à une diffusion classique de type Fourier. Une autre caractéristique montre également un confinement plus important de la chaleur au voisinage de la source. Cet effet, observé expérimentalement a été appelé « résistance balistique ». Le modèle superdiffusif permet d’expliquer tous les résultats expérimentaux observés par thermoreflectance lorsque la source de chaleur est confinée à l’échelle nanométrique. Ces résultats sont en cours de publication dans la revue « Physical Review Letters ».

Collaborations

Collaborateurs académiques :

1. Pr. Bertrand Audoin

Professeur, Responsable du groupe « Ultrasons Laser », Laboratoire I2M, Université de Bordeaux 1.

(: 05 40 00 69 69

E-mail : b.audoin@lmp.u-bordeaux1.fr

2. Dr. Clément Rossignol

Chargé de recherche CNRS, groupe « Ultrasons Laser », Laboratoire I2M, Université de Bordeaux 1.

(: 05 40 00 62 21

E-mail: c.rossignol@lmp.u-bordeaux1.fr

3. Pr. Jean-Christophe Batsale

Professeur, responsable du département Trèfle de l’I2M de Bordeaux, président de la société française de thermique

E-mail : jc.batsale@i2m.u-bordeaux1.fr

4. Christophe Pradère

Chargé de recherché, responsable du groupe « Thermocinétique et caractérisation » de l’I2M de Bordeaux

(: 05 56 84 56 26

E-mail : c.pradere@i2m.u-bordeaux1.fr

5. Dr. Younès Ezzahri

Maitre de Conférences, groupe « Thermique aux nano-échelles et rayonnement », Laboratoire ENSIP, Université de Poitiers.

(: 05 49 45 3813

E-mail: younes.ezzahri@univ-poitiers.fr

Collaborateurs industriels :

1. Dr. Natalio Mingo

Chercheur, CEA/LITEN, Grenoble.

(: 04 38 78 01 60

E-mail: natalio.mingo@cea.fr

2. Dr. Guillaume Savelli

Chercheur, CEA LITEN, Grenoble.

(: 04 38 78 01 60

E-mail: guillaume.savelli@cea.fr

3. Dr. Hélène Michel

Chercheur CEA Lite, Grenoble

(: 04 38 78 01 60

E-mail: helene.michel@cea.fr

4. Christophe Gourdel

Ingénieur à Soitec

(: 04 76 92 98 06

E-mail: christophe.gourdel@soitec.fr

Collaborateurs internationaux :

1. Pr. Ali Shakouri

Professeur, directeur du « Birk Nanotechnology Center », responsable du groupe « Quest», University of West Lafayette, IN, U.S.A.

E-mail: shakouri@purdue.edu

2. Dr. Armando Rastelli

Associate Professor, Institute for integrative nanosciences, IFW Dresden, Allemagne.

E-mail: a.rastelli@ifw-dresden.de

3. Pr. Josep Altet

Professeur, Université polytechnique de Catalogne, Espagne

E-mail: josep.altet@upc.edu

4. Pr. Arthur Gossard

Professeur, responsable du « material department », Université de Californie Santa Barbara, CA, U.S.A.

E-mail: acgossard@gmail.com

5. Pr. Joshua Zide

Professeur, Université du Delaware, DE, USA

E-mail: zide@udel.edu

6. Pr. Kevin Pipe

Professeur, Université du Michigan, Ann Arbor, USA

E-mail: pipe@umich.edu

Publications

Publications dans des revues internationales à comité de lecture :

1. Coherent phonons in Si/ SiGe superlattices

Y. Ezzahri, S. Grauby, J.M. Rampnoux, H. Michel, G. Pernot, W. Claeys, S. Dilhaire, C. Rossignol, G. Zeng, A. Shakouri

Physical Review B 75, 195309 (2007)

2. Precise control of thermal conductivity at the nanoscale through individual phonon-scattering barriers

G. Pernot, M. Stoffel, I. Savic, F. Pezzoli, P. Chen, G. Savelli, A. Jacquot, J. Schumann, U. Denker, I. Monch, Ch. Deneke, O.G. Schmidt, J.M. Rampnoux, S. Wang, M. Plissonnier, A. Rastelli, S. Dilhaire, N. Mingo

Nature Materials 9, 491(2010)

3. Growth and Characterization of TbAs:GaAs Nanocomposites

L. Cassels, T.E. Buehl, P.G. Burke, C.J. Palmstrøm, A.C. Gossard, G. Pernot, A. Shakouri, C.R Haughn, M.F. Doty, J.M.O. Zide

Journal of Vacuum Science and Technology B, 29, 3 (2011)

4. Heterodyne picosecond thermoreflectance applied to nanoscale thermal metrology

S. Dilhaire, G. Pernot, G. Calbris, J. M. Rampnoux, and S. Grauby

Journal of Applied Physics, 110, 114314 (2011)

5. Thermoelectric Properties of epitaxial TbAs:InGaAs nanocomposites

Laura E. Clinger, Gilles Pernot, Trevor E. Buehl, Art C. Gossard, Chris J. Palmstrøm, Ali Shakouri, Joshua M. O. Zide

Journal of Applied Physics, 111, 094312(2012)

6. Controlling n-type carrier density from Er doping of InGaAs with MBE growth temperature

Peter G. Burke, Trevor E. Buehl, Gilles Pernot, Hong Lu, Ali Shakouri, Chris J. Palmstrøm, John E. Bowers, Arthur C. Gossard

Journal of Electronic Materials, 36, 948 (2012)

7. Picosecond Joule heating and ultrafast thermal diffusion in photoconductive switch electrodes

Bjorn Vermeersch, Gilles Pernot, Hong Lu, Je-Hyeong Bahk, Art. Gossard, Ali Shakouri

Physical Review B, 88, 214302 (2013)

8. Foraging Phonons : Nanoscale thermal transport is governed by superdiffusive Lévy walks

Bjorn Vermeersch, Amr Mohammed, Gilles Pernot, YeeRui Koh, Ali Shakouri

Physical Review Letters, (Submitted)

Comptes rendus de conférences:

1. Investigating Coherent Zone-Folded Acoustic Phonons in Si/SiGe Superlattices by a Pump-Probe Transient Thermoreflectance Technique

H. Michel, G. Pernot, J.M. Rampnoux, S. Dilhaire, Y. Ezzahri, A. Shakouri

MRS 2010 Spring Meeting – San Francisco, CA, USA MRS Proceedings, 1221 , 1221-CC08-03

2. Frequency-dependent Thermal Conductivity in Time Domain Thermoreflectance Analysis of Thin Films

G. Pernot, H. Michel, B. Vermeersch, P. Burke, S. Dilhaire, A. Gossard, A. Shakouri

MRS 2011 Spring Meeting – San Francisco, CA, USA MRS Proceedings, 1347 , mrss11-1347-bb07-07

3. Capturing the Cumulative Effect in the Pump-Probe Transient Thermoreflectance Technique using Network Identification by Deconvolution Method

Y. Ezzahri, G. Pernot, K. Joulain, A. Shakouri

MRS 2011 Spring Meeting – San Francisco, CA, USA MRS Proceedings, 1347 , mrss11-1347-bb07-05

4. Effect of Nanocavities on the Thermoelectric Properties of Polycrystalline silicon

E. Selezneva, A. Arcari, G. Pernot, A. Shakouri, D. Narducci

MRS 2011 Spring Meeting – San Francisco, CA, USA MRS Proceedings, 1329 , mrss11-1329-i01-09

5. Thermoelectric transport in InGaAs with high concentration of rare-earth TbAs embedded nanoparticles

E. Selezneva, L. Cassels, A. Ramu, G. Pernot, T. Buehl, T. Favaloro, J-H. Bahk, Z. Bian, J. Bowers, J. Zide and A. Shakouri

International Conference on Thermoelectrics 2011, Traverse City MI, USA

6. Ballistic Heat Transport and Associated Frequency Dependence of Thermal Conductivity in Semiconductor Alloys

Bjorn Vermeersch, Gilles Pernot, Yee Rui Koh, Paul Abumov, Ali Shakouri

ITherm 2012 – San Diego CA, USA

7. Nanoscale Electrothermal Energy Conversion Devices

Je-Hyeong Bahk, Younes Ezzahri, Kazuaki Yazawa, Bjorn Vermeersch, Gilles Pernot, Ali Shakouri

Therminic 2012 – Budapest, Hungary (invited speaker)

Curriculum vitae

Experiences

2012-2014 : Post-doctorat à l’Université de Bordeaux 1, Laboratoire LOMA,

Equipe « photonique et nanomatériaux» sous la direction du Professeur Stefan Dilhaire.

2010-2012 : Post-doctorat à l’Université de Californie Santa Cruz,

 « Quantum Electronics Group » Professeur Ali Shakouri.

2008-2009 : Attaché Temporaire d’Enseignement et de Recherche à l’Université de Bordeaux1

2005-2008 : Thèse « Identification de propriétés thermiques et spectroscopie THz de nanostructures par thermoreflectance pompe-sonde hétérodyne »

Laboratoire CPMOH (LOMA), équipe de « photonique et nanomatériaux » sous la direction du Professeur Stefan Dilhaire

Formations et Diplômes

2010: Doctorat au laboratoire CPMOH (Université de Bordeaux 1)

2005: Master 2ème année: Laser – Matière et Nanosciences mention Assez Bien (Université de Bordeaux 1)

2003/2004: Préparation au Capes de Physique (Université de Bordeaux 1)

2003: Maîtrise de Physique (Université de Bordeaux 1)

 2002: Licence de Physique (Université de Bordeaux 1)

Compétences

Informatique: Matlab, Labview, Comsol, Origin, Maple, Flash, Bureautique …

Linguistique: Anglais lu, écrit et parlé couramment. Notions d’allemand