Propriétés de transport thermique des super-réseaux de céramiques ultra-haute température

Contexte académique

Dans la conception de matériaux pour l’isolation thermique à haute température et les applications thermoélectriques, la réduction de la conductivité thermique est un objectif clé. Les structures de super-réseaux (Superlattice, SL), en empilant alternativement des couches de matériaux différents, peuvent efficacement supprimer le transport thermique des phonons, réduisant ainsi significativement la conductivité thermique. Cette propriété rend les super-réseaux particulièrement prometteurs pour les revêtements de barrière thermique (Thermal Barrier Coatings, TBCs) et les matériaux thermoélectriques. Cependant, les propriétés de transport thermique des céramiques ultra-haute température (Ultra-High-Temperature Ceramics, UHTCs) dans des environnements extrêmes, ainsi que la conception de leurs structures de super-réseaux, restent largement inexplorées. En particulier, les carbures de métaux de transition (comme HfC et TaC), en raison de leur point de fusion élevé et de leur stabilité structurelle, sont des candidats idéaux pour les applications à haute température. Néanmoins, les recherches sur la conductivité thermique des super-réseaux HfC/TaC et leur résistance thermique interfaciale restent limitées.

Cette étude vise à explorer expérimentalement les propriétés de transport thermique des super-réseaux HfC/TaC, en particulier l’influence de l’espacement interfaciel sur la conductivité thermique, et à révéler les contributions des phonons et des électrons dans le transport thermique. De plus, l’étude évalue la stabilité thermique des super-réseaux dans des environnements à haute température et propose une conception de couche protectrice anti-oxydation, offrant de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux d’isolation thermique et thermoélectriques à ultra-haute température.

Source de l’article

Cet article est co-écrit par Xin Liang et Shuhang Yang, respectivement affiliés au College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, à l’Institut des nanoénergies et nanosystèmes de l’Académie chinoise des sciences, et à l’École de nanosciences et d’ingénierie de l’Université de l’Académie chinoise des sciences. L’article a été publié le 15 avril 2025 dans la revue Applied Physics Letters, sous le titre Thermal Transport Properties of Ultra-High-Temperature Ceramic Superlattices, avec le DOI 10.¹⁰⁶³⁄₅.0263593.

Processus de recherche et résultats

1. Préparation et caractérisation structurelle des échantillons de super-réseaux

L’étude a d’abord conçu des échantillons de super-réseaux HfC/TaC, dont l’unité périodique est constituée de couches alternées de HfC et TaC d’épaisseur égale. En ajustant l’épaisseur de chaque couche, l’espacement interfaciel (dsl) varie de 9,5 nm à 84,5 nm. L’épaisseur totale des échantillons est maintenue constante (environ 600 nm) pour exclure l’effet de diffusion aux limites sur la mesure de la conductivité thermique. Les échantillons ont été déposés sur un substrat de silicium par pulvérisation magnétron non réactive, et leur structure a été caractérisée en détail par diffraction des rayons X (XRD) et microscopie électronique en transmission (TEM).

L’analyse XRD montre que les films monocouches de HfC et TaC ont une structure cubique à faces centrées (FCC), avec une orientation préférentielle de croissance selon le plan (111). Les images TEM et l’analyse de distribution des éléments confirment la structure périodique empilée des super-réseaux, avec un espacement interfaciel largement conforme aux valeurs de conception. De plus, les images TEM à haute résolution révèlent des défauts aux interfaces des super-réseaux et une taille de grain de seulement quelques nanomètres.

2. Mesure de la conductivité thermique et analyse de la résistance thermique interfaciale

L’étude a utilisé la méthode de thermoréflectance en domaine temporel (Time-Domain Thermoreflectance, TDTR) pour mesurer la conductivité thermique verticale (κ) des super-réseaux. Les résultats montrent que la conductivité thermique présente une dépendance croisée avec l’espacement interfaciel : lorsque l’espacement interfaciel diminue de 84 nm à 31 nm, la conductivité thermique diminue progressivement ; mais lorsque l’espacement interfaciel diminue davantage, la conductivité thermique augmente. À un espacement interfaciel de 31 nm, la conductivité thermique des phonons atteint une valeur minimale de 0,84 W/m·K, démontrant le potentiel des super-réseaux HfC/TaC pour les applications d’isolation thermique.

De plus, en préparant un échantillon bicouche à interface unique, l’étude a mesuré la résistance thermique interfaciale (Rk) de l’interface HfC/TaC et a décomposé les contributions des phonons et des électrons à cette résistance. Les résultats indiquent que la résistance thermique des phonons à l’interface HfC/TaC est bien supérieure à celle des électrons, principalement en raison de la diffusion intense des phonons causée par les défauts interfaciaux.

3. Stabilité à haute température et conception d’une couche protectrice anti-oxydation

Pour évaluer la stabilité des super-réseaux dans des environnements à haute température, l’étude a soumis les échantillons à un traitement thermique à 1200°C dans l’air. Les résultats montrent que les échantillons non protégés voient leur conductivité thermique augmenter significativement après le traitement thermique, et la structure des super-réseaux disparaît progressivement, formant une structure semblable à des briques. L’analyse XRD et STEM-EDS confirme une réaction d’oxydation notable à l’intérieur des échantillons.

Pour supprimer l’oxydation, l’étude a conçu une couche protectrice d’environ 20 nm d’épaisseur en HfO2. Les expériences montrent que la couche protectrice en HfO2 empêche efficacement la diffusion de l’oxygène, réduit significativement la concentration d’oxygène à l’intérieur des échantillons et préserve la faible conductivité thermique des super-réseaux. Après le traitement thermique, la conductivité thermique des échantillons protégés n’augmente que de 1,88 W/m·K à 2,71 W/m·K, proche du niveau de l’échantillon original.

Conclusion et signification

Cette étude révèle expérimentalement les propriétés de transport thermique des super-réseaux HfC/TaC et leur dépendance à l’espacement interfaciel, rapportant pour la première fois un phénomène où la conductivité thermique des super-réseaux dépasse celle des matériaux constitutifs à faible espacement interfaciel. L’étude a également quantifié la résistance thermique interfaciale de l’interface HfC/TaC et révélé les différentes contributions des phonons et des électrons au transport thermique. De plus, la couche protectrice en HfO2 conçue améliore efficacement la stabilité des super-réseaux à haute température, fournissant une référence importante pour le développement de matériaux d’isolation thermique et thermoélectriques à ultra-haute température.

Points forts de la recherche

1. Dépendance de la conductivité thermique à l’espacement interfaciel : Découverte pour la première fois de la dépendance croisée de la conductivité thermique des super-réseaux HfC/TaC avec l’espacement interfaciel, et révélation des mécanismes sous-jacents du transport des phonons.
2. Analyse quantitative de la résistance thermique interfaciale : Mesure expérimentale de la résistance thermique interfaciale de l’interface HfC/TaC et décomposition des contributions des phonons et des électrons, offrant une nouvelle perspective pour comprendre les mécanismes de transport thermique des super-réseaux.
3. Stabilité à haute température et conception anti-oxydation : La couche protectrice en HfO2 conçue supprime efficacement l’oxydation des super-réseaux dans des environnements à haute température, fournissant une solution viable pour les applications à ultra-haute température.

Autres informations précieuses

L’étude fournit également des données expérimentales détaillées et des résultats de caractérisation structurelle, y compris des analyses XRD, TEM et STEM-EDS, offrant une référence riche pour les recherches futures. De plus, l’article discute des applications potentielles des super-réseaux dans les matériaux thermoélectriques, indiquant des directions pour des études ultérieures.

Grâce à cette étude, non seulement la compréhension des mécanismes de transport thermique des super-réseaux est approfondie, mais elle offre également de nouvelles idées et méthodes pour la conception de matériaux d’isolation thermique et thermoélectriques à haute température.