Manipulation d’énergie thermique avec des ondes de surface électromagnétique aux échelles micro- et anoscopiques

Thermal energy manipulation via electromagnetic surface waves at micro and nanoscales

• Auteur / Autrice : Sergei Gluchko
• Direction : Sebastian Volz, Thomas Antoni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 06/10/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Greffet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Robert-Philip, Alfredo de Rossi, Karl Joulain, Denis Lemonnier, Anouar Soufiani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Robert-Philip, Alfredo de Rossi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie infrarouge

Rayonnement thermique

Polaritons

Phonons

Ondes de surface

Conductivité thermique

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Transfert thermique

Conductivité thermique

Ondes de surface

Phonons polaritons de surface

Ondes de Zenneck

Radiation thermique

Champ proche

Spectroscopie infrarouge

Microscopie infrarouge

Heat transfer

Thermal conductivity

Surface waves

Surface Phonon Polaritons

Zenneck waves

Thermal radiation

Near-filed

Infrared spectroscopy

Nfrared microscopy

Résumé

Les phonons polaritons de surface (SPhPs) sont des ondes électromagnétiques de surface évanescentes générées par le couplage phonon-photon et se propageant le long d’une interface entre un milieu polaire (tel que SiO2 et SiC) et un diélectrique. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à de possibles applications des SPhPs pour améliorer les performances thermiques des nanosystèmes, en focalisant leur énergie thermique avec des micro- et nanostructures, en réduisant leurs angles de diffraction à travers des ouvertures sub-longueur d’onde, et en démontrant leur émission thermique cohérente large-bande. Nous avons aussi effectué des mesures par microscopie spectrophotométrique infrarouge de micro-objets et démontré l’excitation thermique de modes de grandes longueurs de propagation dans un large domaine spectral. Nos résultats sont obtenus sur des bases à la fois théoriques, de simulations numériques et expérimentales. Ces travaux sont pertinents dans les domaines liés au transfert thermique, à l’optique infrarouge, au rayonnement thermique de champ proche, à la microscopie infrarouge, et à la polaritonique.

Surface phonon-polaritons (SPhPs) are evanescent electromagnetic surface waves generated by the phononphoton coupling and that propagate along the interface of a polar medium (such as SiO2 and SiC) and a dielectric one. In this work, we investigate possible applications of SPhPs for enhancing the thermal performance of micro- and nanoscale devices, focusing of thermal energy with micro-structures, decreasing the diffraction angles of infrared radiation on subwavelength apertures, and demonstrating broadband coherent thermal emission. We also perform infrared spectroscopy microscopy measurements of microscale objects and demonstrate long-range thermally excited surface modes in a broad frequency range. The results presented in this thesis can have possible applications in fields related to heat transfer, infrared optics, near-field thermal radiation, infrared microscopy, and polaritonics.