Rôle des ondes de surface dans la modification des propriétés radiatives de matériaux microstructurés : application à la conception de sources infrarouges et à l'effet thermophotovoltaïque

par Marine Laroche

Thèse de doctorat en Physique. Énergétique

Sous la direction de Jean-Jacques Greffet.


  • Résumé

    La présence d'ondes de surface sur certains matériaux (métaux, semiconducteurs dopés, cristaux polaires, cristaux photoniques) modifie leurs propriétés radiatives. La 1ère partie de cette thèse est consacrée au phénomène d'émission thermique cohérente et amplifiée par plasmon-polaritons de surface. Nous avons tout d'abord conçu et réalisé une source thermique de tungstène avec une directivité exceptionnelle dans le proche infrarouge. Nous avons ensuite étudié le refroidissement radiatif du silicium dopé grâce à l'amplification d'émission thermique par plasmons de surface. Nous avons comparé les performances de ces sources cohérentes avec celles d'un système anti-réfléchissant : l'écran de Salisbury. Dans la 2ème partie, nous étudions l'impact du transfert radiatif en champ proche sur la conversion thermophotovoltaïque (TPV). L'excitation d'ondes de surface sur la source éclairant la cellule TPV engendre un transfert radiatif amplifié et quasi-monochromatique. Nous présentons un modèle quantitatif permettant de calculer le photocourant et le rendement. Nous montrons que l'on peut obtenir une augmentation significative de la puissance électrique extraite et du rendement d'un dispositif TPV éclairé en champ proche. La 3ème partie porte sur les propriétés radiatives des cristaux photoniques induites par ondes de surface. Deux phénomènes connus en plasmonique ont pu être obtenus : la transmission résonante à travers un film opaque et l'émission thermique cohérente. Un avantage des cristaux photoniques est la possibilité de modifier la fréquence d'excitation des ondes de surface en faisant varier les paramètres du cristal.

  • Titre traduit

    Tailoring the radiative properties of microstructured materials by surface waves : conception of new infrared sources and modelling of near-field thermophotovoltaic devices


  • Résumé

    The existence of surface waves on materials like metals, doped semiconductors, polar materials or photonic crystals modifies their radiative properties. The 1st part of this thesis deals with the coherent and amplified thermal emission by surface plasmon-polaritons. We have designed and fabricated a highly directional tungsten thermal source in the near infrared. We have also studied the radiative cooling of doped silicon thanks to the amplified thermal emission by surface plasmons. We have compared the efficiencies of those coherent sources with the one of an anti-reflective system : the Salisbury screen. In the 2nd part, we study the impact of the near-field radiative transfer on thermophotovoltaic (TPV) energy conversion. The resonant excitation of surface waves on the thermal source illuminating the TPV cell generates an amplified and quasi-monochromatic radiative transfer. We propose a quantitative model of the calculation of the photogeneration current and the efficiency. We show a significant enhancement of both the efficiency and the output electric power of a near-field TPV converter. The 3rd part is dedicated to the radiative properties of photonic crystals induced by surface waves. Two phenomena known in plasmonics have been obtained : the resonant transmission through an opaque film and the coherent thermal emission. A key advantage of photonic crystals is that the resonant frequency can be modified by changing the lattice parameters.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (viii-174 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 154 réf.

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  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : TH 63281
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