Émission de rayonnement infrarouge assistée par ondes de surface : émission thermique cohérente et électroluminescence

par Christophe Arnold

Thèse de doctorat en Physique, énergétique

Sous la direction de Jean-Jacques Greffet.

Soutenue en 2008

à Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris .

mots clés

• Rayonnement infrarouge -- Thèses et écrits académiques
• Transfert de chaleur -- Thèses et écrits académiques
• Interactions électron-phonon -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Ce travail de thèse a pour objet l'étude de l'émission de lumière assistée par les ondes de surface, plasmoniques sur tungstène et phononiques sur carbure de silicium. Nous nous sommes intéressés à l'émission thermique cohérente de réseaux lamellaires (1D) ainsi que de réseaux de plots (2D). L'excitation thermique des ondes de surface sur ces structures confère à ces sources une forte cohérence spatiale, ce qui se traduit par une émissivité importante et très directive. Nous avons mesuré des pics d'émissivité de 0. 9° de largeur sur un réseau en tungstène pour une longueur d'onde de 4 um. Nous avons étudié, théoriquement et expérimentalement, le rayonnement de ces structures dans tout l'espace libre, sans nous limiter aux plans perpendiculaires aux traits des réseaux. Nous montrons que les simples conditions de couplage des modes d'interface avec l'espace libre permettent de retrouver les profils d'émissivité de ces réseaux. Nous présentons des mesures sur un réseau 2D en SiC montrant un pic d'émissivité supérieur à 90%, très collimaté en polarisation TM, pour une longueur d'onde de 12 um. Nous montrons également une forte émissivité en polarisation TE, ce qui révèle un couplage efficace entre l'espace libre et les phonons de surface qui sont pourtants polarisés TM. Nous avons obtenu un accord quantitatif entre l'ensemble de nos mesures d'émissivité et nos calculs numériques. Nous avons également étudié théoriquement l'interaction des électrons excités dans un puits quantique en GaAs avec les phonons de surface. Après avoir quantifié les ondes de surfaces, nous avons calculé la durée de vie des électrons associée à l'émission de mode d'interface en utilisant l'opérateur  p̂. Nous obtenons des durées de vie de l'ordre de 10-12 s pour la transition par émission d'un phonon d'un électron se trouvant dans le bas de la deuxième bande d'un puits vers la bande 1. Nous en déduisons que les puits quantiques peuvent se révéler être de bon candidats pour l'émission d'onde de surface. Des travaux de recherche initiés par Lambe et McCarthy avaient montré que des dispositifs métal-oxyde-métal (MOM) émettaient de la lumière visible, le principe d'émission étant l'excitation de modes d'interface par injection de courant, qui sont ensuite diffractés par la rugosité ou par un réseau. Nous avons étudié une structure originale destinée à exciter des plasmons dans le domaine infrarouge au moyen d'électrons chauds dans InGaAs dans le but de la coupler avec l'espace libre par un réseau métallique optimisé. Le rayonnement non thermique s'avère inférieur à ce qu'il est pour les dispositifs MOM.

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