Design ab-initio de matériaux micro et nanostructurés pour l'émission thermique cohérente en champ proche et en champ lointain

par Jérémie Drevillon

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur. Thermique

Sous la direction de Bertrand Garnier et de Philippe Ben-Abdallah.

Soutenue en 2007

à Nantes , dans le cadre de École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes) , en partenariat avec Laboratoire de thermocinétique (Nantes) (laboratoire) et de École polytechnique de l'Université de Nantes (autre partenaire) .

mots clés

• Transfert de chaleur
• Matériaux nanostructurés
• Électromagnétisme

Résumé

L’émission thermique à partir d’un corps chaud a été longtemps considérée comme étant large bande et quasi-isotrope. Aujourd’hui nous savons que ce paradigme est faux et de nombreux matériaux micro et nanostructurés ont été développés pour rayonner dans des bandes spectrales étroites et autour de certaines directions d’espace. Les techniques modernes de dépôt permettent maintenant de concevoir des structures complexes à base de matériaux métalliques, polaires ou diélectriques à l’échelle nanométrique. Ces avancées soulèvent la question de la meilleure structure possible pour obtenir des propriétés radiatives désirées et pour augmenter le degré de cohérence d’une source. Cependant, jusqu’à présent, seules des stratégies heuristiques basées sur une approche de type essai-erreur ont été suivies pour concevoir des sources thermiques. Dans ce travail de thèse, nous présentons une méthode générale pour le design ab-initio de sources thermiques cohérentes en champ lointain et en champ proche. Le cadre de ce travail est celui de la théorie des matrices de diffusion et de l’électrodynamique fluctuationnelle. De nouveaux effets de champ proche sont prédits théoriquement pour les matériaux nanostructurés multicouches. Ils ouvrent de nouvelles opportunités pour améliorer de façon significative les performances des technologies modernes de conversion d’énergie.

Résumé

Emission of thermal light from a hot body has been considered during long time as broadband and quasi-isotropic. Today we know this paradigm is wrong and it has been shown that many micro and nanostructured materials are able to radiate in narrow spectral bands and around specific directions of space. The ability to artificially grow in a controllable manner, from modern deposition techniques, complex structural configurations of metallic, polar and dielectric materials raises now the issue of the ‘best’ achievable inner structures to tailor the radiative properties of a nanostructured thermal source in a prescribed manner and to enhance the coherence degree of its emission. However, so far, only heuristic strategies based on trial-and-error have been followed for engineering such sources. In this thesis we present a general method for the ab initio design of coherent thermal sources both in far field and near field. The framework of this thesis is the scattering matrix theory and the fluctuational electrodynamic. New near-field effects are theoretically predicted for nanostructured materials. They open new opportunities to significantly improve the performances of new energy conversion technologies.