Directrice : Elodie Richalot ; Encadrant.e.s : Maha Ben Rhouma, Armande Hervé, Elyes Nefzaoui

Nous nous intéresserons dans le cadre de cette thèse à une catégorie particulière de méta-matériaux à base de silicium aléatoirement micro et nano-structuré, à savoir le Black Silicon (BSi), étudié au laboratoire depuis une quinzaine d’années.
Contrôler finement la gamme spectrale de forte émissivité de ce matériau (BSi) en fonction de l’application (TPV ou refroidissement radiatif) est le principal objectif de cette thèse. Cela passera par des simulations électromagnétiques, la fabrication d’échantillons et leur caractérisation à température ambiante et haute température.
Dans un premier temps, il s’agira d’explorer et de simuler numériquement différentes configurations pouvant répondre aux problématiques et à la sélectivité désirée, en considérant notamment l’association de différentes méta-matériaux : multi-couches, réseaux de surface, association de différents matériaux possédant des propriétés spectrales intéressantes du type Black Silicon/Graphène ainsi que différentes combinaisons des catégories précédentes afin d’ajuster leur propriétés radiatives (émissivité, réflectivité).
Les résultats obtenus sur le Black Silicon pendant les thèses de Sreyash Sarkar (soutenue en décembre 2022) et de Lan Gao (soutenue en février 2023) seront un point de départ et d’appui pour cette nouvelle thèse. La première portait sur les propriétés radiatives du Black Silicium dans l’infrarouge alors que la seconde s’est focalisée sur son utilisation pour la récupération d’énergie solaire. Des développements supplémentaires sont indispensables pour l’adapter à des applications telles que le refroidissement radiatif ou encore la conversion thermo-photovoltaïque.

Ces simulations/modélisations se feront en se basant sur les équations de Maxwell qui rendent parfaitement compte de la physique en jeu dans les différents dispositifs visés dans la thèse. Nous utiliserons dans un premier temps les méthodes dites « modales » telles que la FMM (Fourier Modal Method) et la FMM-ASR (FMM équipée du concept « Adaptive Spatial Resolution ») [12,13,14], pour lesquelles l’équipe encadrante possède déjà une expertise [15]. Ces méthodes sont reconnues comme les outils numériques les plus efficaces et performants pour modéliser des nano-structures périodiques lamellaires qui composent souvent les métamatériaux. Pour modéliser des réseaux présentant une géométrie relativement complexe (non lamellaire), ces méthodes peuvent être exploitées en procédant à un découpage en tranches de la structure, c’est la « staircase approximation ». Une autre piste intéressante est d’utiliser la méthode dite « de Chandezon » (Methode-C) qui consiste à résoudre les équations de Maxwell dans un système de coordonnées adaptées à la surface diffractante. Son intérêt réside dans l’écriture simple et naturelle des conditions aux limites.
Dans le cas des structures sub-longueur d’onde, des modèles théoriques approchés peuvent être développés en utilisant la méthode des milieux effectifs couplée à l’utilisation de la méthode de la matrice de transfert (matrice T) ou de diffusion (matrice S) en adaptant la « staircase approximation » ; cette approche a déjà été développée et utilisée au sein de l’équipe [7]. Ces modèles peuvent être complétés par des simulations basées sur la méthode des éléments finis pour tenir compte plus précisément du caractère désordonné de la structuration des matériaux considérés [16].

Les métamatériaux à fort potentiel pourront ensuite être optimisés par l’utilisation de techniques d’apprentissage automatique (réseaux de neurones artificiels, apprentissage par renforcement, etc.) en fonction de l’application visée couplées aux méthodes de calcul électromagnétiques mentionnées ci-dessus.
Les meilleures structures candidates seront ensuite fabriquées dans les salles blanches de ESIEE Paris en s’appuyant sur l’expertise accumulée sur le sujet depuis une quinzaine d’années. Leurs propriétés radiatives seront caractérisées sur le banc de spectroscopie et microscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) récemment développé au sein des plateformes de caractérisation en micro-énergie du laboratoire basées à ESIEE Paris. Des développements sont en cours pour étendre ces moyens de caractérisation au-delà de la température ambiante vers les hautes températures. Ces développements nouveaux permettront de caractériser les métamatériaux étudiés à haute température ce qui est particulièrement pertinent pour des applications de récupération d’énergie thermique telles que le TPV.

Cette thèse bénéficiera de collaborations déjà établies du laboratoire ESYCOM avec d’autres laboratoires en France (Institut Pprime de Poitiers) ou des collaborations naissantes (CEMHTI à Orléans), notamment sur la caractérisation à haute température des propriétés électromagnétiques (permittivité diélectrique) des matériaux micro et nano-structurés. Elle permettra également de renforcer les contributions du laboratoire à l’activité de la communauté nationale des nanomatériaux pour l’énergie à travers le GDR NAME (NAnoMaterials for Energy) et du groupe projet CNRS TREE (Thermal Radiation to Electric Energy conversion). Le doctorant bénéficiera par conséquent d’un environnement dynamique avec de nombreuses possibilités de collaboration.

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Contact : Elodie Richalot, directrice de thèse – elodie.richalot-taisne@univ-eiffel.fr