Thermocolorimétrie à base de VO2 pour mesurer la conductivité thermique
Les matériaux à transition de phase, comme le dioxyde de vanadium (VO₂), suscitent un intérêt croissant en raison de leur transition isolant–métal à températures proches de la température ambiante. Cette transition réversible induit des changements drastiques des propriétés électriques, optiques et thermiques, ouvrant la voie vers des applications très recherchées en photonique, en gestion de la chaleur et dans les dispositifs thermiques.
En thermométrie optique, les méthodes classiques de thermoréflectance typiquement nécessitent des transducteurs métalliques (en or ou aluminium), des modulations temporelles ou fréquentielles des lasers et la détection de très faibles variations de réflectivité, ce qui complexifie l’instrumentation. En tirant parti du fort contraste optique entre les phases métallique et isolante du VO₂, des chercheurs de l’INSP ont pu exploiter une fine couche de VO₂ comme transducteur et la microscopie optique pour mesurer la conductivité thermique de solides.
Figure Exploitation de la transition isolant–métal du VO2 pour mesurer la conductivité thermique d’un matériau par microscopie optique en régime stationnaire. La lecture du rayon du domaine métallique en fonction de la puissance de pompage permet cette mesure.
Sous illumination par un faisceau laser focalisé, la transition isolant–métal induit un disque métallique dont le rayon croît avec la puissance absorbée par le transducteur de VO2. La dépendance en puissance du rayon est déterminée par microscopie de réflectance optique et comparée à un modèle analytique de transport de chaleur non linéaire, qui contient la conductivité thermique du substrat comme paramètre d’ajustement.
La méthode est appliquée à des échantillons de silice, de saphir et de silicium recouverts de VO₂ polycristallin, en ajustant la dépendance en puissance du rayon sur les branches de chauffage et de refroidissement de la boucle d’hystérésis. Les conductivités extraites pour les trois échantillons concordent quantitativement avec les valeurs de la littérature, couvrant une plage (1–140 Wm–1K–1) à la fois inférieure et supérieure à celle du VO₂, ce qui valide la précision et la polyvalence de la méthode développée pour une grande variété de matériaux.
Cette étude démontre l’utilisation innovante d’un transducteur en film mince de VO₂ pour mesurer la conductivité thermique d’un échantillon excité par un laser continu. Contrairement aux techniques classiques de thermoréflectance, le principe de fonctionnement repose sur le contraste de phase isolant- métal du VO₂, offrant une précision accrue pour mesurer des conductivités supérieures ou inférieures à celle du transducteur.
La simplicité du montage expérimental de cette approche sans contact, basée sur une microscopie optique en régime stationnaire, la rend accessible et applicable à une large gamme de matériaux massifs et en couches minces, avec des perspectives pour la cartographie de la conductivité thermique.
Référence
«VO2 Thin-FilmTransducer for Steady-State Thermal Conductivity Measurements»
Ilaria Delbono, Pascal J. Schroeder, Boris Kalinic, Carlo Scian, Irving Alonzo-Zapata, Frédéric Dumas Bouchiat, Corinne Champeaux, Tiziana Cesca, Giovanni Mattei, Danièle Fournier, James K. Utterback*, and Jose Ordonez-Miranda*
ACS Photonics, 12, 7002 (2025)
Contacts
james.utterback(at)insp.jussieu.fr
jose.ordonez(at)insp.jussieu.fr
