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Theses Year : 2021

Conduction-radiation coupling at the nanoscale

Couplage conduction-rayonnement à nano-échelle

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Abstract

Two bodies held at different temperatures experience a heat exchange mediated by photons, even when separated by vacuum. This radiative heat flux, limited by Stefan-Boltzmann's law in the far field (for distances larger than some microns at ambient temperatures), was predicted to exceed this limit even by several orders of magnitude for shorter distances, in the so-called near-field regime. Near-field radiative heat transfer has been largely studied theoretically, and several experiments have confirmed the theoretical predictions. Surprisingly, very few theoretical efforts have been devoted so far to the study of the coupling of radiative heat transfer and conduction in a solid body. We have recently shown that this coupling can indeed be relevant, and that it can produce a temperature gradient inside two interacting bodies.In this PhD thesis, we intend to explore theoretically this coupling, by means of several different approaches. The aim is both to understand how the two phenomena influence each other and to get an insight into the open question of the nanoscale frontier between radiative heat transfer and conduction. We will study the interplay between radiation and conduction by coupling the Boltzmann equation governing the transport of phonons inside a solid to the fluctuationnal electrodynamics which drives radiative heat exchanges. We also plan to include the role played by radiation-conduction coupling in the heat transport regimes within many-body systems. Finally, we will investigate the link between the Rytov theory of heat transfers induced by the thermal fluctuations and the conduction theory using an atomistic semi-ab-initio approach which takes into account the contribution of both acoustic and optical phonons. Apart from their fundamental interest, these works are relevant to describe nanoscale heat fluxes. Their understanding will allow to better describe energy exchanges in nanoscale devices.
Deux corps maintenus à deux températures différentes et séparés par du vide échangent en permanence un flux de chaleur grâce aux photons transférés d'un milieu à l'autre. Il a été prédit théoriquement que ce flux radiatif de chaleur, limité en champ lointain (pour des distances plus grandes que quelques microns à température ambiante) par la loi de Stefan-Boltzmann, peut dépasser de plusieurs ordres de grandeur cette limite pour des distances plus petites (en champ proche). Ce transfert de chaleur en champ proche a très largement été étudié d'un point de vue théorique, et plusieurs expériences ont confirmé les prédictions théoriques. De façon surprenante, très peu de travaux théoriques ont été menés sur le couplage entre le transfert par rayonnement en champ proche et la conduction dans un solide. Nous avons montré récemment que le couplage entre ces deux canaux peut être tout à fait important, et qu'il peut être à l'origine d'un gradient de température à l'intérieur des milieux en interaction.Cette thèse vise à explorer théoriquement ce couplage, à travers plusieurs approches différentes. Il s'agira à la fois de mieux comprendre l'interaction entre ces deux modes de transport de la chaleur et d'autre part d'aborder la question de la transistion à nano-échelle entre le transfert par rayonnement et par conduction. Dans cette perspective, les échanges entre les deux milieux seront décrits à l'aide de l'équation de transport de Boltzmann, qui gouverne la fonction de distribution associée aux phonons à l'intérieur des solides, couplée aux équations d'électrodynamique fluctuationnelle, qui décrivent les échanges radiatifs. Nous analyserons également les conséquences de ce couplage sur les régimes de transport de la chaleur dans des systèmes à plusieurs corps. Enfin, nous étudierons le lien entre la théorie de Rytov, qui décrit le transfert de chaleur dû aux fluctuations thermiques, et la théorie de la conduction à l'aide d'une approche atomique semi ab-initio qui inclut à la fois la contribution des phonons acoustiques et optiques. Outre leur intérêt fondamental, ces effets pourraient jouer un rôle important dans les échanges de chaleur à nano-échelle. La compréhension de ces mécanismes de couplage devrait permettre de mieux décrire les échanges d'énergie dans le domaine des nanotechnologies.
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Dates and versions

tel-03404212 , version 1 (26-10-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03404212 , version 1

Cite

Marta Reina. Conduction-radiation coupling at the nanoscale. Optics [physics.optics]. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPAST098⟩. ⟨tel-03404212⟩
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