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19 jan
19/01/2021 15:00

Sciences & Société

Soutenance de l'Habilitation à Diriger des Recherches en sciences : Pierre-Olivier Chapuis

Eléments de physique des transferts thermiques aux échelles caractéristiques des porteurs d’énergie

[HDR - soutenance publique]

Chercheur CNRS :  Pierre-Olivier Chapuis

Laboratoire INSA : Centre d’Energétique et de Thermique de Lyon (CETHIL)

Rapporteurs : 

  • Joulain, Karl (Professeur à l’Université de Poitiers)
  • Maasilta, Ilari (Professeur à l’Université de Jyväskylä, Finlande)
  • Shakouri, Ali (Professeur à l’Université Purdue, USA)
     

Jury

  • Banfi, Francesco (Professeur à l’Université Lyon-1)
  • Ciliberto, Sergio (Directeur de recherches CNRS à l’ENS Lyon)
  • Kittel, Achim (Professeur à l’Université d’Oldenburg, Allemagne)
  • Riedo, Elisa (Professeur à l’Université de New-York, USA)
  • Tanguy, Anne (Professeur à l’INSA Lyon)

Cette Habilitation à Diriger les Recherches traite des transferts thermiques à l’échelle nanométrique. Elle est construite autour de trois parties principales, qui abordent successivement les avancées en thermique associées à la nanométrologie, la conduction et le rayonnement. Une introduction brève au formalisme du transport d’énergie thermique à l’échelle mésoscopique (semi-classique) est tout d’abord proposée. Les notions principales telles que la longueur d’onde, la longueur de cohérence, le libre parcours moyen sont présentées, de même que la longueur de Kapitza. Il est souligné qu’une conductance thermique maximale existe dans les solides.

Les avancées méthodologiques expérimentales basées sur la thermométrie résistive à l’échelle locale ou en fonction de la température sont ensuite abordées. Une analyse du coefficient en température de la résistivité électrique, sur laquelle ces méthodes reposent, est tout d’abord effectuée. La méthode de caractérisation électro-thermique à fil déposé est ensuite abordée. Elle est bien connue sous le nom de méthode 3omega, cependant des régimes différents de celui de la « méthode de la pente de Cahill » peuvent être intéressants. Les développements en microscopie thermique à sonde locale sont ensuite décrits en détail, notamment lorsque les mesures sont opérées dans l’air ambiant. Le coefficient de thermométrie est introduit pour deux des trois sondes commerciales les plus répandues.

Les résultats obtenus en conduction thermique à l’échelle nanométrique sont ensuite détaillés. Une méthode de simulation du transfert aux interfaces non lisses est exposée. Une analyse du transfert thermique dans des membranes suspendues, perforées périodiquement sous forme phononique ou non, est ensuite effectuée. Les effets de limitation de la conduction thermique dans les couches minces d’oxyde sur le transport thermique sont observés et partiellement expliqués. Le transport axial ou transverse est étudié à l’aide de l’équation de Boltzmann. La dissipation balistique à partir de sources de taille inférieure au libre parcours moyen est caractérisée expérimentalement. Pour finir, une méthode de couplage multi-échelle est introduite.

Les avancées en rayonnement thermique sub-longueur d’onde et quelques-unes des applications sont ensuite détaillées. Le concept d’émissivité effective est mis en avant pour les objets de taille finie. Une première optimisation de l’émission thermique est réalisée. La possibilité de réaliser des émetteurs sélectifs plans à partir de peu de couches différentes est étudiée. Les distances critiques de changement de régime, notamment liées aux effets d’interférence, sont précisées. La dépendance à la température des propriétés optiques est systématiquement prise en compte. L’application à la conversion thermophotovoltaïque, en champ lointain ou en champ proche, est décrite, de même que la possibilité théorique de réaliser des mesures très locales à partir d’une sonde SThM radiative en champ proche.

Une section de perspectives conclut les travaux.