Amphithéâtre Charpak
Matias Feldman, doctorant dans l’équipe Physico-chimie et dynamique des surfaces
Étude spatio-temporelle du transport d’énergie dans les assemblages de nanocristaux
Résumé
Les nanocristaux colloïdaux offrent la possibilité d’ajuster avec une grande précision leurs propriétés physiques, chimiques et structurales, tout en pouvant être synthétisés en solution à faible coût. Ils constituent des briques élémentaires de choix pour la conception de matériaux et dispositifs aux propriétés finement modulables, destinés à des domaines aussi variés que l’optoélectronique, la plasmonique, la phononique, la thermoélectricité ou encore la catalyse. Bien que certains de ces dispositifs puissent exploiter directement la chaleur au cours de leur fonctionnement, ils en génèrent le plus souvent en excès, ce qui entraîne une instabilité de leurs performances et une dégradation des matériaux. Le développement de stratégies efficaces permettant de contrôler et de dissiper cette chaleur est essentiel à l’intégration des nanocristaux dans des systèmes fonctionnels. Malgré des efforts considérables déployés au cours de la dernière décennie, le transport thermique dans les assemblages de nanocristaux demeure peu efficace et difficile à maîtriser. Celui-ci résulte d’interactions multiéchelles complexes entre les cœurs inorganiques, les ligands moléculaires, les interfaces, les défauts structuraux et l’agencement des nanoparticules, dont les rôles respectifs restent partiellement élucidés. Comprendre comment le transport thermique à l’échelle mésoscopique émerge de cette structure locale, étape indispensable à une gestion thermique rationnelle, nécessite une technique capable de résoudre la propagation de la chaleur à la fois dans l’espace et dans le temps, tout en révélant la morphologie sous-jacente.
Dans cette thèse, nous utilisons la microscopie stroboscopique par diffusion optique afin de visualiser directement la propagation de la chaleur dans des supercristaux de nanosphères, de nanobâtonnets et de nanobipyramides d’or, ainsi que dans des mélanges désordonnés de nanosphères d’or et de nanocubes de pérovskite halogénée. Ces mesures spatiotemporellement résolues sont combinées à de la microscopie électronique à balayage et à de la microscopie à force atomique, ce qui permet de relier la réponse thermique locale à des caractéristiques structurales dont les dimensions sont inférieures à la limite de diffraction. Dans les supercristaux de nanosphères, nous mettons en évidence une dépendance inhabituelle du transport thermique latéral à l’épaisseur de l’échantillon, attribuée à des effets balistiques dans le transport des phonons. Les mélanges binaires montrent, quant à eux, que la compacité de l’assemblage joue un rôle déterminant dans la réponse thermique. Dans les supercristaux de nanocristaux anisotropes, l’alignement collectif des particules donne naissance à une propagation directionnelle de la chaleur.
Pris dans leur ensemble, ces résultats montrent que le transport thermique dans les matériaux à base de nanocristaux est gouverné non seulement par les propriétés des constituants individuels, mais également par leur organisation collective, dont la manipulation offre une voie inédite pour contrôler à la fois l’intensité et la direction des flux de chaleur. Plus généralement, ces résultats mettent en évidence le potentiel de l’approche corrélative associant microscopie stroboscopique par diffusion optique et caractérisation à haute résolution pour mettre au jour les relations entre structure et fonction dans les nanomatériaux.
Spatiotemporal Study of Energy Transport in Nanocrystal Assemblies
Abstract
Colloidal nanocrystals combine exceptional control over their physical, chemical, and structural properties with low-cost solution processing, making them ideal building blocks for highly tunable functional materials and devices spanning optoelectronics, plasmonics, phononics, thermoelectrics, and catalysis. Although some of these devices may directly exploit heat, their operation more commonly generates it, causing performance instability and material degradation. Developing effective strategies to control and dissipate this heat is therefore essential for integrating nanocrystals into functional systems. Despite considerable efforts over the past decade, thermal transport in nanocrystal solids remains inefficient and difficult to control. It arises from a complex, multiscale interplay among inorganic cores, molecular ligands, interfaces, structural defects, and packing geometry, whose respective contributions remain only partially understood. Establishing how mesoscale thermal transport emerges from this local structure—a necessary first step toward rational thermal management—requires a technique capable of resolving heat propagation in both space and time while simultaneously imaging the underlying morphology.
In this thesis, we use stroboscopic scattering microscopy to directly visualize heat propagation in supercrystals of gold nanospheres, nanorods, and nanobipyramids, as well as in disordered mixtures of gold nanospheres and metal-halide perovskite nanocubes. These spatiotemporally resolved measurements are combined with scanning electron microscopy and atomic force microscopy, enabling the local thermal response to be assigned to specific structural features below the optical resolution limit. In nanosphere supercrystals, we reveal an unusual dependence of in-plane thermal transport on sample thickness, originating from ballistic phonon effects. Binary mixtures further show that nanocrystal packing plays a decisive role in determining the thermal response.Finally, by extending this analysis to anisotropic nanocrystals, we show that collective particle alignment gives rise to directional heat propagation.
Together, these results demonstrate that thermal transport is governed not only by the properties of the individual constituents but also by their collective organization. They establish mesoscale structural design as a new route for controlling both the magnitude and direction of heat transport in nanocrystal solids, and highlight correlative stroboscopic scattering microscopy and high-resolution characterization as a powerful framework for uncovering structure-function relationships in nanomaterials.
Jury
- Mme Valentina GIORDANO (Directrice de recherche, iLM, Université Lyon 1) – Rapportrice
- M. Miguel COMESAÑA-HERMO (Chargé de recherche, ITODYS, Université Paris Cité) – Rapporteur
- M. Lionel AIGOUY (Directeur de recherche, LPEM, ESPCI Paris) – Examinateur
- M. Konstantinos TERMENTZIDIS (Directeur de recherche, CETHIL, INSA Lyon) – Examinateur
- M. Stefan DILHAIRE (Professeur des universités, LOMA, Université de Bordeaux) – Examinateur
- M. James K. UTTERBACK (Chargé de recherche, INSP, Sorbonne Université) – Directeur de thèse
- Mme Emmanuelle LACAZE (Directrice de recherche, INSP, Sorbonne Université) – Directrice de thèse
