Emetteurs thermiques nanostructurés haute température

High temperature nanostructured thermal emitters

• Auteur / Autrice : Jules Lackner
• Direction : Patrick Bouchon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA/DOTA - Département Optique et Techniques Associées
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Émetteur thermique

Métasurface

Pulvérisation

Céramiques

Thermal emitter

Metasurface

Sputering

Ceramics

Résumé

La structuration de la matière à l'échelle nanométrique, permise par les outils de la microélectronique, a conduit à de nombreux effets surprenants en optique (or noir, cape d'invisibilité, réfraction négative). Plus récemment, le concept de métasurface, qui est un agencement de nanoantennes, a permis de modifier la réponse optique (réflectivité, absorption, transmission) d'une surface avec une texturation d'une épaisseur inférieure au centième de la longueur d'onde. Il est ainsi possible de rendre complètement absorbante une surface, par ailleurs réfléchissante, pour certaines longueurs d'onde. D'après la loi de Kirchhoff, cela signifie que la surface devient un émetteur thermique à ces mêmes longueurs d'onde. Parmi les principaux défis à relever sur cette thématique, se trouve la possibilité de faire des gabarits spectraux (et angulaires) plus complexes, mais aussi d'atteindre des températures de fonctionnement élevées (> 1000K), avec des applications en en spectroscopie vibrationnelle, en sources optiques, en furtivité, en thermophotovoltaïque et en refroidissement radiatif. Pour cela, il est indispensable de développer l'utilisation de matériaux réfractaires pouvant être utilisés à des hautes températures, se trouvant proches ou au-dessus des températures de fusion des matériaux plus classiquement utilisés. Cette utilisation passe par leur maîtrise technologique, mais aussi par la caractérisation de leurs propriétés thermiques, optiques et mécaniques. Les matériaux céramiques métalliques ont plus de pertes que les métaux nobles, et ces pertes augmentent aussi avec la température. Cela rend plus complexe l'obtention d'émetteurs thermiques fin spectralement. Le travail de doctorat, s'appuie sur une collaboration entre les équipes de l'ONERA/DOTA, du département matériaux de l'onera et du C2N (CNRS, Université Paris Saclay). Le doctorant pourra s'appuyer sur leurs compétences complémentaires en modélisation, fabrication et caractérisation de structures nanophotoniques. Le/la doctorant/e commencera par se former aux différents équipements à l'Onera (FTIR-Microscope Hyperion, ellipsométre infrarouge) et au C2N (Formation salle blanche, formation aux équipements de nanofabrication et de caractérisation matériaux), ainsi qu'au contexte bibliographique. Il/elle fabriquera et caractérisera les métamatériaux à base de couches minces de matériaux réfractaires basés sur le zirconium (carbures, oxydes et oxydes dopés yttrium). Le doctorant étudiera expérimentalement la possibilité de modifier l'émissivité infrarouge avec ces matériaux en se basant sur des métamatériaux, faisant appel à un seul matériau ou à une combinaison de matériaux céramiques réfractaires. Ces travaux feront l'objet de rétro-modélisations pour vérifier l'accord expérience-théorie. Enfin, le/la doctorant/e développera la caractérisation expérimentale d'émetteurs ayant une grande finesse spectrale (Q>100) pouvant être utilisés dans des scénarios de spectroscopie infrarouge.

The structuring of matter at the nanometric scale, made possible by microelectronic tools, has led to many surprising effects in optics (black gold, invisibility cloak, negative refraction). More recently, the concept of metasurface, which is an arrangement of nanoantennas, has made it possible to modify the optical response (reflectivity, absorption, transmission) of a surface with a texturing thickness of less than a hundredth of the wavelength. It is thus possible to make a surface, otherwise reflective, completely absorbing for certain wavelengths. According to Kirchhoff's law, this means that the surface becomes a thermal emitter at these same wavelengths. Among the main challenges in this area, is the possibility to make more complex spectral (and angular) templates, but also to reach high operating temperatures (> 1000K), with applications in vibrational spectroscopy, optical sources, stealth, thermophotovoltaics and radiative cooling. For this, it is essential to develop the use of refractory materials that can be used at high temperatures, close to or above the melting temperatures of the materials more conventionally used. This use requires technological expertise, but also the characterization of their thermal, optical and mechanical properties. Metallic ceramic materials have more losses than noble metals, and these losses also increase with temperature. This makes it more complex to obtain spectrally fine thermal emitters. The PhD work is based on a collaboration between ONERA/DOTA, the Onera materials department and C2N (CNRS, Université Paris Saclay). The PhD student will be able to rely on their complementary skills in modeling, fabrication and characterization of nanophotonic structures. The PhD student will start by training on the different equipment at Onera (FTIR-Hyperion microscope, infrared ellipsometer) and at C2N (clean room training, training on nanofabrication and materials characterization equipment), as well as on the bibliographic context. He/she will fabricate and characterize metamaterials based on thin films of zirconium-based refractory materials (carbides, oxides and yttrium-doped oxides). The PhD student will experimentally study the possibility to modify the infrared emissivity with these materials based on metamaterials, using a single material or a combination of refractory ceramic materials. This work will be subject to backward modelling to verify the agreement between experiment and theory. Finally, the PhD student will develop the experimental characterization of emitters with high spectral sharpness (Q>100) that can be used in infrared spectroscopy scenarios.