Thèse Transport Thermique dans les Milieux Particulaires Magnétiques de l'Échelle Nanométrique à l'Échelle Macroscopique H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Perpignan Via Domitia École doctorale : Energie et Environnement Laboratoire de recherche : PROcédés, Matériaux et Energie Solaire Direction de la thèse : Hamid KACHKACHI ORCID 0000000269548117 Début de la thèse : 2026-11-01 Date limite de candidature : 2026-09-14T23:59:59 Les nanoparticules magnétiques, lorsqu'elles sont soumises à un champ magnétique alternatif, s'échauffent et transmettent cette chaleur à leur environnement. Ce phénomène est déjà exploité en médecine, où l'hyperthermie magnétique permet de détruire des cellules cancéreuses par un échauffement local ciblé, et en électronique, où des nanocomposites magnétiques sont utilisés pour évacuer la chaleur produite par les composants de puissance. Il est également étudié en thermoélectricité, où l'insertion de nanoparticules magnétiques dans des matrices semi-conductrices permet de moduler la conversion chaleur-électricité.

Malgré ces applications, on ne sait pas encore prédire de façon fiable comment la chaleur générée à l'échelle du nanomètre se propage à travers un ensemble de nanoparticules pour produire un échauffement mesurable à notre échelle. Les modèles existants reposent sur des approximations de milieu effectif qui moyennent les propriétés du matériau et ignorent la nature discrète des sources de chaleur, ainsi que les interactions magnétiques entre particules et les résistances thermiques aux interfaces.

Ce projet de thèse théorique vise à combler cette lacune en développant un modèle multi-échelle reliant les propriétés microscopiques des nanoparticules (anisotropie, volume, interactions dipolaires et d'échange de type RKKY) à la conductivité thermique macroscopique du matériau. Le formalisme reposera sur les fonctions de Green pour décrire explicitement chaque nanoparticule comme une source de chaleur individuelle ; il sera couplé à une résolution stochastique de la dynamique de l'aimantation (équation de Landau-Lifshitz-Gilbert) pour calculer la puissance dissipée par chaque particule. Un modèle microscopique de la résistance d'interface (résistance de Kapitza) complètera cette approche.

Le modèle sera validé expérimentalement sur deux systèmes de nanoparticules de cobalt insérées dans des matrices modèles : le cuivre (transport dominé par les électrons) et le germanium (transport dominé par les phonons, avec couplage thermoélectrique). Les échantillons seront synthétisés et caractérisés par mesures de conductivité thermique (thermoréflectance) à l'Institut Lumière Matière (Lyon), en étroite collaboration avec le laboratoire PROMES-CNRS (Perpignan), où le doctorant ou la doctorante sera basé(e).

Ce travail, à l'intersection de la physique de la matière condensée, du nanomagnétisme et de l'ingénierie thermique, doit fournir les premiers critères de conception rationnels pour l'optimisation de matériaux utilisés en hyperthermie médicale, en gestion thermique de l'électronique de puissance, et en thermoélectricité. Le transport thermique dans les milieux particulaires nanostructurés constitue un défi scientifique majeur, à l'intersection de la physique de la matière condensée, du nanomagnétisme et de l'ingénierie thermique. Ce projet vise à élucider les mécanismes fondamentaux régissant la diffusion de la chaleur dans des matériaux composés de nanoparticules magnétiques (NPM) insérées dans une matrice solide.

Au-delà de l'intérêt fondamental pour la physique hors équilibre des systèmes désordonnés, la maîtrise de ces phénomènes répond à des besoins critiques dans plusieurs domaines d'application. En électronique de puissance et en microélectronique, les matériaux d'interface thermique intégrant des nanoparticules métalliques ou magnétiques doivent dissiper la chaleur produite par les microprocesseurs, les LED de puissance et les batteries de véhicules électriques. En thermoélectricité, les nanocomposites à base de semi-conducteurs magnétiquement dopés (DMS) présentent des interactions d'échange RKKY à longue portée qui modifient profondément les propriétés de transport ; des travaux récents ont montré que l'insertion de nanoparticules magnétiques dans une matrice semi-conductrice peut moduler significativement le coefficient Seebeck via des effets magnétiquement contrôlés, avec des perspectives pour la récupération d'énergie et le refroidissement de dispositifs électroniques.

Les modèles théoriques actuels reposent majoritairement sur des approches de « milieu effectif » (Maxwell-Garnett, Bruggeman), qui moyennent les propriétés du matériau et utilisent l'équation de Fourier avec des termes sources homogénéisés. Bien que valides à grande échelle, ces approches échouent à capturer la physique des « points chauds » nanoscopiques et les phénomènes transitoires rapides - la physique de la particule unique étant relativement bien comprise, c'est le passage à l'assemblée dense qui pose un problème de changement d'échelle non résolu. Ce projet propose de dépasser ces limites en développant une théorie multi-échelle construite de bas en haut (bottom-up), validée expérimentalement sur deux systèmes modèles contrastés : Co@Cu et Co@Ge. L'objectif central du projet est de développer un modèle théorique multi-échelle, prédictif et validé expérimentalement, du transport thermique dans les milieux particulaires magnétiques. Trois verrous scientifiques structurent ce travail :

- Incohérence multi-échelle : construire un cadre analytique et numérique reliant les paramètres microscopiques des nanoparticules (anisotropie, volume, interactions) à la conductivité thermique macroscopique, sans perte d'information sur les gradients locaux de température.

- Interactions magnétiques de longue portée : intégrer explicitement les interactions dipolaires et d'échange RKKY, oscillantes et à longue portée, dans le calcul du taux d'absorption spécifique (SAR) et de l'état magnétique collectif, afin de rendre compte de leur rétroaction sur les sources de chaleur elles-mêmes - une boucle non traitée par les modèles thermiques standards.

- Résistance d'interface de Kapitza : remplacer les paramètres d'ajustement phénoménologiques usuels par un modèle microscopique du transfert de chaleur à l'interface nanoparticule/matrice, fondé sur la dynamique des phonons de surface.

Le modèle sera testé sur deux systèmes contrastés, Co@Cu (transport électronique dominant, idéal pour tester les effets RKKY) et Co@Ge (transport phononique dominant, fort couplage thermoélectrique), en confrontation directe avec des mesures de conductivité thermique par thermoréflectance. L'approche théorique, développée à PROMES, repose sur trois volets complémentaires :

A. Formalisme des fonctions de Green pour la thermique. Généralisation à des assemblages 3D complexes d'un modèle récemment développé pour des chaînes 1D. En utilisant le formalisme des fonctions de Green G(r,r,t), en parallèle de l'approche numérique, l'équation de la chaleur sera résolue pour un milieu hétérogène, ce qui permettra d'obtenir une expression analytique du champ de température T(r,t) en fonction des positions et des puissances dissipées de chaque nanoparticule, sans recourir à une homogénéisation prématurée.

B. Calcul du SAR et interactions complexes (dipolaires et RKKY). La puissance dissipée sera obtenue grâce à la théorie de la réponse linéaire de la dynamique de l'aimantation, ou par résolution de l'équation stochastique de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG). Pour les matrices métalliques (Co@Cu) et semi-conductrices (Co@Ge), l'intégration explicite de l'interaction RKKY constitue une originalité forte du projet ; l'influence de ce couplage oscillant sur le blocage des moments magnétiques et sur la boucle d'hystérésis dynamique sera analysée.

C. Modélisation de l'interface (phonons de surface). Pour décrire le transfert de chaleur à l'interface NP/matrice, des modèles microscopiques seront développés et comparés, par exemple, au modèle de Khater et Szeftel, qui permet de calculer la transmission des phonons à travers une interface désordonnée en tenant compte de la dynamique des atomes de surface.

Cette approche théorique sera confrontée à des données expérimentales obtenues à l'ILM (Lyon) : synthèse de films minces de nanocomposites par dépôt de jets d'agrégats de faible énergie (LECBD), technique qui permet un contrôle indépendant de la taille des nanoparticules (distribution étroite) et de leur densité dans la matrice ; et mesures de conductivité thermique (H,T) par thermoréflectance (technique optique pompe-sonde) en fonction du champ magnétique et de la température, complétées par des mesures de magnétométrie pour déterminer les paramètres structuraux et magnétiques des nanocomposites Co@Cu et Co@Ge. Le modèle théorique devra reproduire ces courbes macroscopiques à partir des paramètres microscopiques.

Nous recherchons une solide formation en physique théorique de la matière condensée (Master ou équivalent) ; de bonnes compétences analytiques et une expérience avérée en modélisation numérique (Python et/ou C++) ; une familiarité avec la physique statistique et/ou le magnétisme ; un intérêt réel pour les approches multi-échelles et le dialogue théorie-expérience.

• Python
• C++