Control of body radiative properties by nanostructuring its surface

Contrôle des propriétés radiatives de corps par nanostructuration de leur surface

Armande Herve (1)

1 PPrime [Poitiers] - Institut Pprime [UPR 3346]

This thesis, separated into two main axes, deals with the study of micrometric gratings, ruled on a polar material that supports surface phonon-polaritons, thus producing coherent thermal sources. In the first axe, we exploit the experimental data of the dielectric functions at different temperatures to study the evolution of the thermal emission of SiC and SiO2 gratings as a function of temperature. When materials are heated, the position of the grating emissivity peak shifts towards higher wavelength values and its amplitude decreases. Thus room temperature designed gratings are not optimal for higher temperatures. However, by modifying the grating parameters, it is possible to find an emission peak, with a maximum of emissivity near 1, for each temperature for 1D and 2D SiC and SiO2 gratings. We also obtained a SiC grating, which is a good narrow IR emitter over a large range of temperatures. In the second part, we optimize a structure combining a multi-layer and a grating for an application of radiative cooling : total reflection in the solar spectrum and total emission in the atmospheric transparency window (8-13 μm). We use optimized BN, SiC and SiO2 gratings, which have emissivity peaks in the transparency window. A metal/dielectric multi-layer structure complete the radiative properties necessary for the occurring of radiative cooling. The optimized structures produce a good radiative cooling power that can go up to 90 W.m−2.

Cette thèse, séparée en deux axes principaux, porte sur l’étude de réseaux micrométriques gravés sur des matériaux polaires supportant des ondes de surface, générant ainsi des sources thermiques cohérentes. Dans le premier axe, nous exploitons les données expérimentales de fonctions diélectriques à différentes températures pour étudier l’évolution de l’émission thermique de réseaux de SiC et de SiO2 en fonction de la température. Quand les matériaux sont chauffés, la position du pic d’émissivité se décale vers les plus grandes longueurs d’onde et son amplitude diminue. Ainsi des réseaux optimisés pour la température ambiante ne sont pas optimaux pour des températures plus élevées. Cependant, en modifiant les paramètres du réseau, il est possible de trouver un pic d’émission avec un maximum d’émissivité proche de 1 pour chaque température pour des réseaux 1D et 2D de SiC et de SiO2. Nous discutons aussi d’un réseau de SiC qui serait un bon émetteur directionnel dans l’IR sur une large gamme de températures. Le second axe a pour but d’optimiser une structure associant multi-couche et réseau pour une application de refroidissement radiatif : réflexion totale dans le spectre solaire et émission totale dans la fenêtre de transparence de l’atmosphère (8-13 μm). Nous optimisons des réseaux de BN, SiC et SiO2, possédant des pics d’émissivité dans la fenêtre de transparence de l’atmosphère. Un multi-couche métal/diélectrique complète les propriétés radiatives nécessaires au refroidissement radiatif. Les structures optimisées produisent une bonne puissance de refroidissement radiatif pouvant aller jusqu’à 90 W.m−2.

Mots clés: Polar materials; Thermal radiation; Coherent thermal sources; Gratings; Variation of the dielectric function with temperature; Radiative Cooling; Multi-layers

Mots clés: Matériaux polaires; Rayonnement en champ proche; Sources thermiques cohérentes; Réseaux; Variation de la fonction diélectrique avec la température; Refroidissement radiatif; Multicouches

Domaines: Thermique [physics.class-ph]; Optique [physics.optics]; Micro et nanotechnologies/Microélectronique; Electromagnétisme; Optique / photonique

Armande Herve. Contrôle des propriétés radiatives de corps par nanostructuration de leur surface. Thermique [physics.class-ph]. Université de Poitiers, 2017. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01757676⟩