Etude de la dispersion en hauteur des CNTs

Afin de remédier à la dispersion en hauteur des CNTs, des études se sont penchées sur l’ajout d’un matériau ayant une épaisseur suffisante pour être en contact avec l’ensemble des CNTs, les plus longs ayant la possibilité de pénétrer ce matériau. Les premiers essais ont été menés avec des matériaux métalliques pour leur grande conductivité thermique.

Pour cela, Zhu et al.⁶¹ ont étudié les soudures à base d’étain-plomb. La mise en œuvre nécessite le dépôt d’une couche d’accroche puis l’alliage Sn/Pb est ajouté. Par la suite, le substrat est déposé sur les CNTs et l’ensemble est chauffé à 250°C, ce qui facilite la pénétration de l’ensemble des nanotubes dans la couche métallique à l’état liquide. Les tests ont été menés avec des CNTs de 180 µm de haut et ont permis d’obtenir une résistance thermique de 43 mm²K/W.

36

Le Khanh et al.³ ont réalisé des fermetures d’interfaces thermiques par thermocompression à l’or, pour cela, une fine couche d’or a été déposée sur le substrat opposé et le haut des CNTs. Le tout est chauffé sous pression pour permettre le développement d’une adhésion (Figure 20).

Figure 20 : a) Image MEB des CNTs recouvert d’or, b) Image MEB des connexions entre les CNTs et la

couche d’or du substrat opposé³

Une fois les interfaces fermées, les résistances thermiques sont mesurées et comprises entre 2,6 mm²K/W et 3,4 mm²K/W selon la hauteur des échantillons de CNTs qui est située entre 10 et 30 µm.

Dans l’objectif de continuer à améliorer cette résistance de contact CNTs / substrat opposé tout en palliant la dispersion en hauteur des CNTs, il a été envisagé d’utiliser les polymères en tant que matériaux de fermeture d’interface thermique. Li et al.⁶⁹ ont mené une étude visant à déterminer les résistances thermiques de contacts entre d’une part, les nanotubes de carbone et les métaux, et d’autre part, entre les nanotubes de carbone et les polymères.

Figure 21 : Valeurs relatives de résistance thermique d’interface à température ambiante. Les résistances

thermiques d’interface entre CNTs et polymères sont plus faibles que celles entre CNTs et métaux⁶⁹

La Figure 21 montre que la résistance thermique d’interface CNTs-polymère est plus faible que celle entre CNTs- métaux, bien que la conductivité thermique des polymères soit inférieure à celle des métaux. Ce phénomène peut être expliqué par le couplage phononique à basse fréquence entre

37

le CNT et le polymère.⁷⁰ Les polymères possèdent de nombreux modes de vibrations des phonons à

basse fréquences (<1 THz) contrairement aux métaux. ^{71 et 72} De plus, la Figure 22,⁷³ montre qu’à partir de 2 THz, le coefficient de transmission d’énergie à l’interface est proche de zéro. Ces deux points permettent d’obtenir un bon recouvrement des modes de vibrations à basse fréquence entre CNTs et polymères et d’avoir une efficacité de transfert des phonons importante.

Figure 22 : Coefficient de transmission phononique avec un contact non covalent⁷³ (LA : Acoustique

Longitudinal ; TA : Acoustique Transverse)

Les travaux réalisés par Gao et al.⁷⁴ ont permis de montrer que le couplage phononique entre les CNTs et les métaux prédominent par rapport au couplage des électrons des CNTs et ceux des métaux. Par ailleurs, les études de Lyeo,⁷⁵ et Stevens,⁷⁶ exposent que la transmission de flux de chaleur est établie grâce au couplage interfaciale entre les phonons des métaux et les phonons des CNTs. Cependant la Figure 23 montre que le cuivre présente essentiellement des modes de vibrations aux fréquences supérieures à 1 THz. Le recouvrement des modes de vibrations basse fréquence entre les CNTs et le cuivre est donc très faible, expliquant la forte résistance thermique.

Figure 23 : Densités d’état phononique du cuivre et d’un SWCNT.⁷⁵

Pour conclure sur cette étude, l’utilisation de polymère en tant que matériau de fermeture d’interface semble être plus efficace que l’utilisation des métaux et ce, grâce à un meilleur couplage phononique entre les CNTs et les polymères.

38

Dans le cas où la couche de polymère est faible, dans laquelle les résistances de contact peuvent dominer, l’emploi du polymère peut conduire à une diminution de la résistance de l’ensemble de l’interface.

Cola et al.⁶⁵ ont étudié l’utilisation d’un polymère comme matériau de fermeture d’interface. Lors de la première étape du procédé (décrit Figure 24), le polymère est déposé par pulvérisation d’une solution sur le bout des CNTs. Cependant, lors de l’évaporation du solvant, il y a apparition d’îlots de CNTs. Afin de reporter le substrat opposé, du solvant est redéposé sur le polymère permettant de le redissoudre et de réaliser une adhésion avec le substrat opposé. Une fois le substrat déposé, une pression de 138 kPa est appliquée pendant 5 heures à température ambiante.

Figure 24 : Procédé de fermeture d’interface développé par Cola et al⁶⁵

Les résultats obtenus sont de 4,9 mm²K/W et 8,5 mm²K/W, avec respectivement le poly-3-hexylthiophene et le polystyrène et des VACNTs de 10 µm.

Le Khanh,⁶⁶ s’est intéressé à l’utilisation du PEMA pour réaliser le contact entre les CNTs et le substrat opposé. Le polymère est déposé par spin-coating sur le substrat opposé et ce dernier est reporté sur les CNTs. L’ensemble est soumis à une pression de 66 kPa ainsi qu’à une température de 120°C durant 90 minutes. La température utilisée est supérieure à la température de transition vitreuse du polymère pour faciliter la pénétration des CNTs dans le PEMA (Figure 25).

39

Figure 25 : Procédé de réalisation d’interface thermique développé par Le Khanh.³

Des découpes par sonde ionique focalisée (FIB) ont été réalisées afin d’observer l’interface entre les CNTs et le PEMA. La Figure 26 montre que l’ensemble des CNTs est en contact avec le polymère.

Figure 26 : Observations MEB et coupe FIB dans l’interface permettant d’observer l’interaction CNTs /

PEMA³

Les résistances thermiques obtenues par ce procédé étant de l’ordre de 2,5 mm²K/W, font parties des meilleurs résultats obtenus.

Pour conclure sur l’étude de la dispersion en hauteur des CNTs, l’utilisation des polymères

apparaît plus appropriée que l’utilisation des métaux. Les résultats expérimentaux des

équipes de Cola,⁶⁵ et Le Khanh,⁶⁶ correspondent avec les études théoriques vues précédemment.