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1 EM2C - Laboratoire d-Énergétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion

Abstract : This doctoral thesis tackles micro and nanometer-scale heat transfer phenomena. Heat conduction is first considered. A model of the thermal atomic force microscope SThM is presented, and the Wollaston resistive probe is analyzed so that it could be used at higher temperatures. Probe heat losses in the air are measured as a function of pressure. The heat exchange between the probe and a sample is measured as a function of the tip-sample distance. A simple modeling of the experiment, taking into account parallel heat flux lines, shows a different behavior than the one due to Fourier heat diffusion. Finally, a numerical study of the heat transfer between a pyramidal nanometer-scale tip and a plane surface is done with the goal of analyzing ballistic thermal transport.The second part of the report tackles near-field thermal radiation between metallic bodies. It appears that this radiative heat transfer is different at nanometer-scale compared to polar materials. This is not due to nonlocal-optics phenomena. The heat flux is rather produced by the dissipation of intense eddy currents. These are taken into account by the magnetic dipole contribution in the case of nanoparticles. The characteristic length of the magnetic fields penetration is the skin depth, which explains the behavior of a recent experiment.The ability to measure near-field radiation with the Wollaston scanning thermal microscope is also evaluated.

Résumé : Cette thèse aborde la problématique des transferts de chaleur dans les micro et nanoystèmes. La première partie concerne la conduction thermique dans l-air. La microscopie à force atomique thermique dite SThM est présentée, et la sonde résistive Wollaston est analysée afin de pouvoir être utilisée à haute température. Les pertes thermiques de la sonde dans l-air environnant sont mesurées en fonction de la pression. L-échange thermique entre la sonde chaude et un échantillon froid est déterminé en fonction de la distance pointe-échantillon. Une modélisation simple de l-expérience, avec des lignes de flux parallèles, tend à démontrer un comportement qui dévie de la diffusion thermique de Fourier. Une étude numérique mettant en jeu une pointe pyramidale nanométrique est ensuite effectuée à l-aide d-une méthode de Monte-Carlo dans le but d-analyser le transport thermique balistique.La seconde partie aborde le rayonnement thermique de champ proche entre les corps métalliques. Il apparaît que le transfert radiatif est différent de celui des matériaux polaires lorsque les distances entre deux corps sont nanométriques. Ceci n-est pas dû à un phénomène modélisable avec l-optique non-locale. Le flux est en fait essentiellement d-origine magnétique et met en jeu des courants de Foucault stochastiques, pris en compte par la contribution dipolaire magnétique dans le cas d-une nanoparticule. Une longueur caractéristique du transfert est l-épaisseur de peau. Elle permet notamment d-expliquer une expérience récente.La possibilité de mesurer le rayonnement de champ proche avec le microscope SThM est également évaluée.

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Keywords : Nanoscience Fluctuational Electrodynamics Scanning Thermal Microscopy SThM Near-Field Thermal Radiation Ballistic Heat Conduction Eddy Currents Monte-Carlo Simulation Nanoparticles Magnetic Dipole Nonlocal Optics Wollaston Probe

Mots-clés : Nanosciences Electromagnétisme fluctuant Microscopie à force atomique SThM Rayonnement thermique en champ proche Conduction thermique balistique Courants de Foucault Simulation Monte-Carlo Nanoparticules Dipôle magnétique Optique non-locale Pointe Wollaston





Autor: Pierre-Olivier Chapuis -

Fuente: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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