Meta-Materiaux Infrarouges Pour La Detection, La Conversion Et La Gestion De Rayonnement Thermique

par Sreyash Sarkar

Projet de thèse en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Philippe Basset et de Tarik Bourouina.

Thèses en préparation à Paris Est en cotutelle avec l'ESIEE Paris , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec ESYCOM - Electroniques, Systèmes de Communication et Microsystèmes (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Les sources thermiques infrarouges sont un élément clé pour différentes applications de détection et de récupération d'énergie. Ils sont très largement utilisés dans la détection de gaz [1], l'interférométrie infrarouge [2] incluant la spectroscopie optique permettant l'analyse chimique ou pour des dispositifs innovants de conversion et de gestion de l'énergie thermique tels que les convertisseurs thermo-photovoltaïques [3] revêtements de refroidissement radiatifs [5]. Pour certaines de ces applications, des émetteurs à large bande sont nécessaires (sources IR pour les microspectromètres par exemple) alors que d'autres nécessitent une émission spectrale sélective à bande étroite (capteurs de gaz spécifiques par exemple). La qualité de l'émission sélective en longueur d'onde est une exigence clé pour obtenir des dispositifs spécifiques et économes en énergie. La dépendance à la température des propriétés radiatives est un deuxième paramètre clé, car on s'attend à ce que les dispositifs fonctionnent à des températures beaucoup plus élevées que la température ambiante. Dans le cadre de ce projet, nous visons à concevoir, optimiser, fabriquer et caractériser des émetteurs à moyenne température (<1000 K) à base de silicium, compatibles avec les MEMS, qui peuvent être utilisés pour les différentes applications citées ci-dessus. Nous aborderons les émetteurs thermiques à bande large et à bande étroite. Nous nous concentrerons sur les métamatériaux structurés à base de silicium afin de fournir des solutions compatibles avec les processus de micro et nano-fabrication les plus répandus. L'émission sélective sera obtenue par micro-structuration des matériaux massifs sélectionnés, principalement du silicium intrinsèque et fortement dopé. Les émetteurs conçus seront optimisés et caractérisés pour des températures entre 300 et 1000 K dans l'infrarouge moyen et lointain (IR), à des longueurs d'onde comprises entre 1 μm et 25 μm. Pour concevoir et optimiser les émetteurs sélectifs, des simulations électromagnétiques numériques seront utilisées selon différentes techniques telles que la méthode de la matrice de transfert pour les couches minces [6], l'analyse des ondes couplées rigoureuses pour les réseaux de surface [7] et les éléments finis Méthode (FEM) pour des micro-structures plus complexes telles que le silicium noir [8]. A cet effet, les propriétés optiques des matériaux en vrac utilisés dans l'IR à des températures supérieures à la température ambiante sont un paramètre critique qui n'est pas bien connu, notamment pour le silicium dopé. Ce paramètre doit être déterminé expérimentalement pour chaque cas. Cette étape fournira des données précieuses sous forme de base de données de propriétés des matériaux, qui sont très rares dans la littérature. Les émetteurs seront ensuite fabriqués dans les salles blanches d'ESIEE Paris et caractérisés expérimentalement. Enfin, leur intégration dans des dispositifs de détection à base de rayonnement, y compris des bolomètres et des micro-spectromètres, sera envisagée.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    Infrared thermal sources are a key element for different sensing and energy harvesting applications. They are very widely used in gas sensing [1], infrared interferometry [2] including optical spectroscopy allowing chemical analysis or for innovative thermal energy conversion and management devices such as thermo-photovoltaic converters[3], radiative thermal rectifiers[4] or smart radiative cooling coatings [5]. For some of these applications, wide band emitters are required (IR sources for micro-spectrometers for ex.) while others require narrow band selective spectral emission (specific gases sensors for ex.). The quality of wavelength-selective emission is a key requirement to obtain specific and energy-efficient devices. The temperature dependence of the radiative properties is a second key parameter since the devices are expected to operate at temperatures much larger than room temperature. In the present project, we aim at designing, optimizing, fabricating and characterizing tunable MEMS-compatible silicon based mid-temperature (< 1000 K) emitters that can be used for the different above-cited applications. We will tackle both wideband and narrow band thermal emitters. We will focus on silicon based structured metamaterials in order to provide solutions that are compatible with the mostly widespread micro and nano-fabrication processes. The selective emission will be obtained by micro-structuration of the selected bulk materials, mainly intrinsic and heavily doped silicon. The designed emitters will be optimized and characterized for temperatures between 300 and 1000 K in the mid and far infrared (IR), at wavelengths between 1 μm and 25 μm. To design and optimize the selective emitters, numerical electromagnetic simulations will be used based on different techniques such as the transfer matrix method for thin films stacks [6], the Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) for surface gratings [7] and the Finite Elements Method (FEM) for more complex micro-structures such as black-silicon [8]. For this purpose, the used bulk materials optical properties in the IR at temperatures larger than room temperature is a critical parameter which is not well known, especially for doped silicon. This parameter has to be determined experimentally for each case. This step will provide valuable data in the form of materials properties database, that are very rare in literature. The emitters will then be fabricated at ESIEE Paris cleanroom facilities and experimentally characterized. Finally, their integration in radiation based sensing devices including bolometers and micro spectrometers will be considered.