Métamatériaux infrarouges pour la détection, la conversion et la gestion de rayonnement thermique

Infrared Meta-Materials For Thermal Radiation Sensing, Conversion And Management

• Auteur / Autrice : Sreyash Sarkar
• Direction : Philippe Basset, Tarik Bourouina
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes - Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Élodie Richalot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Basset, Tarik Bourouina, Pierre-Olivier Chapuis, Catherine Schwob, Jérémie Drevillon, Xiaofeng Guo, Elyes Nefzaoui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Olivier Chapuis, Catherine Schwob

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métamatériaux

Silicium

Rayonnement thermique

Mots clés libres

Rayonnement thermique

ÉmetteursThermiques

Silicon

Silicium noir

Métamatériaux

Silicon

Thermal emitters

Broadband absorbers

Infrared

Black silicon

Metamaterials

Résumé

Les métamatériaux infrarouges (IR) sont essentiels pour une variété d'applications, telles que la détection du rayonnement infrarouge, la récupération et le contrôle de l'énergie thermique, et le refroidissement radiatif. Certaines de ces applications nécessitent des émetteurs sur une large gamme de longueurs d'onde, tandis que d'autres exigent une émission à bande étroite spectralement sélective. Il est essentiel de développer des dispositifs sélectifs en longueur d'onde qui soient à la fois spécifiques et efficaces sur le plan énergétique. Comme ces dispositifs sont censés fonctionner à des températures supérieures à la température ambiante, un deuxième paramètre critique est la dépendance à la température des propriétés radiatives. Cette thèse détaille la conception, le développement, la fabrication et la caractérisation de métamatériaux de silicium accordables qui peuvent être utilisés comme émetteurs à large bande ou sélectifs en longueur d'onde dans les diverses applications mentionnées ci-dessus. Leurs conceptions ont été optimisées à l'aide de simulations électromagnétiques numériques utilisant diverses approches, notamment la méthode de la matrice de transfert (TMM), l'analyse rigoureuse des ondes couplées (RCWA) et la méthode des éléments finis (FEM). Les matériaux étudiés sont le silicium fortement dopé (Si) pour l'émission sélective et le silicium noir micro/nano-structuré (BSi) pour l'émission large bande.Nous commençons par présenter la caractérisation de nos échantillons de BSi fabriqués à partir des niveaux de gris des images en vue plane du microscope électronique à balayage, qui fournissent des informations cruciales sur leur complexité morphologique représentée sous forme d'histogrammes. La cartographie précise de leur géométrie nous a permis de quantifier l'effet du dopage. Par la suite, nous présentons une étude complète de la modélisation des propriétés radiatives des méta surfaces à base de Si en utilisant différentes méthodes de modélisation : RCWA, FEM, EMT, le principal paramètre de modélisation étant la permittivité diélectrique. En utilisant des simulations FEM, nous montrons la dépendance de l'absorption du BSi en fonction du dopage, des paramètres morphologiques et de l'effet de l'angle d'incidence. Cette étude nous donne une bonne idée des règles de conception d'un absorbeur en silicium, tant pour l'ultra-noir (absorbance totale proche de 100%) que pour l'ultra-large bande. Nous effectuons ensuite des mesures de réflectance spéculaire, de réflectance diffuse et de transmittance du BSi dans le NIR-MIR-FIR qui nous donnent des informations précieuses sur l'effet du dopage, le temps de gravure sur Si, le rôle de l'angle d'incidence de la lumière avec l'échantillon, et réaffirment l'excellente absorption du BSi fortement dopé sur 1-25 µm. Ensemble, ces mesures constituent un sous-ensemble de l'extraction des propriétés radiatives du BSi, définissant une méthode dite "indirecte" du BSi. Ensuite, nous présentons une méthode de caractérisation directe de l'émissivité du BSi, une méthode expérimentale entièrement conçue et développée dans cette thèse, puis nous discutons les résultats obtenus sur l'émissivité IR en fonction de la température. Nous avons également tenté de répondre à la question de savoir si l'absorption du BSi résulte d'un dopage volumique ou d'un dopage de surface, à travers des simulations et une caractérisation expérimentale sur des échantillons de BSi implantés en tenant compte de plusieurs paramètres tels que le dosage, l'énergie d'implantation, le type de dopant et le wafer. Les résultats obtenus ouvrent la voie à l'étude des propriétés radiatives du BSi dopé en surface dans la gamme spectrale 1-5 µm et ses applications possibles. Enfin, les principales conclusions de ce manuscrit sur les propriétés radiatives du BSi ont été résumées, et nous donnons quelques pistes pour les applications de ce matériau à faible coût et facilement intégrable

Infrared (IR) metamaterials are essential for a variety of applications, such as infrared radiation detection, thermal energy harvesting and radiative cooling. Some of these applications require emitters over a wide range of wavelength, while others require spectrally selective narrowband emission. It is essential to develop wavelength-selective devices that are both specific and energy-efficient. Since these devices are expected to operate at temperatures above room temperature, a second critical parameter is the temperature dependence of the radiative properties. This thesis details the design, development, fabrication, and characterization of tunable silicon metamaterials that can be used as broadband or wavelength selective emitters in the various applications mentioned above. Their designs have been optimized using numerical electromagnetic simulations using various approaches including Transfer Matrix Method (TMM), Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) and Finite Element Method (FEM). The materials studied are heavily doped silicon (Si) for selective emission and micro/nanostructured black silicon (BSi) for broadband emission. We begin by presenting the characterization of our fabricated BSi samples from the grey levels of the scanning electron microscope plane view images, which provide crucial information about their morphological complexity represented as histograms. The precise mapping of their geometry allowed us to quantify the effect of doping. Subsequently, we present a comprehensive study of the modelling of the radiative properties of Si-based metasurfaces using different modelling methods: RCWA, FEM, EMT, the main modelling parameter being the complex dielectric permittivity. Using FEM simulations, we show the dependence of the BSi absorption on doping, morphological parameters and the effect of the angle of incidence. This study gives us a good idea of the design rules of a silicon absorber, ultra-black (total absorban ce close to 100%) and ultra-broadband. We then perform specular reflectance, diffuse reflectance and transmittance measurements of BSi in the NIR-MIR-FIR which give us valuable information on the effect of doping, the etch time on Si, the role of the angle of incidence and reaffirm the excellent absorption of heavily doped BSi over 1-25 µm. Together, these measurements constitute a subset of the extraction of the radiative properties of BSi, defining a so-called "indirect" emissivity acquisition method. Next, we present a method for direct characterization of BSi emissivity, an experimental method fully designed and developed in this thesis, and then discuss the results obtained on IR emissivity as a function of temperature. We also attempted to answer the question of whether the absorption of BSi results from volume doping or surface doping, through simulations and experimental characterization on BSi samples implanted taking into account several parameters such as dosage, implanta tion energy, dopant type and wafer. The obtained results open the way to the study of the radiative properties of surface-doped BSi in the 1-5 µm spectral range and its possible applications. Finally, the main conclusions of this manuscript on the radiative properties of BSi have been summarized, and we give some leads for the applications of this low cost and easily integrable material