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Micro et nanothermique
Livre Micro et nanothermique

CNRS éd.

-

  • Disponible - 621.61 VOL

    Niveau 3 - Techniques

Livre

Micro et nanothermique

Résumé

Un panorama des notions et des méthodes développpées dans le domaine des transferts thermiques aux petites échelles d'espace et de temps. Après une approche théorique de ces phénomènes, les aspects expérimentaux sont abordés.

  • Contributeur(s)
  • Éditeur(s)
  • Date
    • impr. 2007
  • Notes
    • Notes bibliogr.
  • Langues
    • Français
  • Description matérielle
    • 1 vol. (387 p.) : ill. en noir et en coul., couv. ill. en coul. ; 24 cm
  • Collections
  • Sujet(s)
  • ISBN
    • 978-2-271-06462-2
  • Indice
    • 621.61 Échanges et transferts thermiques, mesures thermiques
  • Quatrième de couverture

    • Ce livre constitue un ensemble particulièrement original et complet des notions, modèles, outils numériques et expérimentaux indispensables à la maîtrise des micro et nanotransferts d'énergie. Il s'adresse non seulement aux chercheurs et aux ingénieurs thermiciens désireux de débuter un travail de recherche théorique ou de métrologie, mais aussi aux physiciens souhaitant aborder les problèmes de transfert de chaleur. Il constitue aussi une base solide pour tout enseignant de troisième cycle souhaitant débuter un cours dans le domaine.


  • Tables des matières

      • Micro et nanothermique

      • Sebastian Volz

      • CNRS

      • Introduction3
      • Chapitre 1
        Limites des lois macroscopiques des transferts thermiques11
      • Jean-Jacques Greffet11
      • 1. Conduction thermique dans les solides11
      • 1.1 Approche macroscopique11
      • 1.1.1 Loi de Fourier11
      • 1.1.2 Équation de la chaleur11
      • 1.2 Les échelles caractéristiques12
      • 1.2.1 Temps et longueurs caractéristiques de conduction12
      • 1.2.2 Exemples d'application12
      • 1.2.3 Limite de l'équation de diffusion aux courts instants13
      • 1.2.4 Conduction en régime harmonique14
      • 1.3 Transferts aux petites échelles15
      • 2. Conduction dans les fluides. Convection15
      • 2.1 Approche macroscopique15
      • 2.1.1 Introduction15
      • 2.1.2 Transfert près d'une paroi16
      • 2.1.3 Temps convectif16
      • 2.2 Transferts aux petites échelles, transport balistique17
      • 3. Rayonnement17
      • 3.1 Approche macroscopique17
      • 3.1.1 Hypothèses17
      • 3.1.2 Luminance17
      • 3.1.3 Luminance d'équilibre18
      • 3.1.4 Flux émis, absorbé18
      • 3.2 Temps et longueurs caractéristiques19
      • 3.2.1 Longueur d'onde19
      • 3.2.2 Épaisseur de peau20
      • 3.2.3 Longueur de cohérence20
      • 3.2.4 Longueur d'atténuation en milieu diffusant20
      • 3.2.5 Origine électromagnétique du rayonnement thermique20
      • 3.2.6 Flux entre deux plans en fonction de la distance21
      • 4. Conclusion21
      • Références bibliographiques22
      • Chapitre 2
        Transport dans les milieux dilués23
      • Rémi Carminati23
      • 1. Introduction23
      • 2. Fonction de distribution et flux24
      • 2.1 Fonction de distribution24
      • 2.2 Moyenne d'une grandeur25
      • 2.3 Flux conductif25
      • 3. Équilibre thermodynamique26
      • 3.1 Définition26
      • 3.2 Fonction de distribution à l'équilibre26
      • 4. Équation de Boltzmann27
      • 4.1 Équation d'évolution de la fonction de distribution27
      • 4.1.1 Particules sans interaction27
      • 4.1.2 Rôle des collisions27
      • 4.2 Modèle du temps de relaxation28
      • 5. Équilibre thermodynamique local. Méthode de pertubation28
      • 5.1 Adimensionnement de l'équation de Boltzmann28
      • 5.2 Libre parcours moyen. Temps de collision. Nombre de Knudsen29
      • 5.3 Équilibre thermodynamique local30
      • 5.4 Méthode de perturbation. Réponse linéaire31
      • 5.5 Loi de Fourier et conductivité thermique31
      • 6. Exemple de système hors ETL : conduction dans un gaz aux courtes échelles33
      • 6.1 Peut-on parler de température aux courtes échelles ?33
      • 6.2 Calcul du flux conductif en régime balistique34
      • 6.3 Transitions entre régimes36
      • 6.3.1 Régime convectif36
      • 6.3.2 Régime conductif diffusif37
      • 6.3.3 Régimes semi-balistique et balistique37
      • 7. Conclusion38
      • Annexe A : Fonction de distribution à l'équilibre39
      • Annexe B : Évolution de la fonction de distribution pour des particules sans interaction40
      • Annexe C : Calcul des constantes A et B pour le flux en régime balistique41
      • Références bibliographiques43
      • Chapitre 3
        Phonons et électrons45
      • Jean-Jacques Greffet45
      • 1. Électrons46
      • 1.1 Électrons libres46
      • 1.1.1 Introduction46
      • 1.1.2 Spectre d'énergie, fonction d'onde46
      • 1.1.3 Densité d'états47
      • 1.1.4 Électrons localisés48
      • 1.2 Électrons dans un potentiel périodique49
      • 1.3 Conduction électrique49
      • 1.3.1 Densité de courant particulaire49
      • 1.3.2 Densité de courant électrique50
      • 1.4 Approche semi-classique50
      • 1.4.1 Extension spatiale d'un électron51
      • 1.4.2 Dynamique d'un électron51
      • 1.5 Calcul de la conductivité électrique en régime collisionnel53
      • 1.6 Conduction électrique en régime balistique54
      • 2. Phonons55
      • 2.1 Modes de vibration d'un réseau55
      • 2.1.1 Mode de vibration. Cas 1D55
      • 2.1.2 Description des modes, relation de dispersion56
      • 2.2 Énergie d'un phonon56
      • 2.2.1 Quantification de l'énergie56
      • 2.2.2 Énergie moyenne d'un mode57
      • 2.3 Densité d'états. Modes optiques et acoustiques58
      • 2.4 Calcul du flux thermique58
      • 2.5 Calcul de la conductivité thermique59
      • 2.5.1 Introduction59
      • 2.5.2 Calcul du nombre moyen d'occupation des états hors équilibre60
      • Références bibliographiques61
      • Chapitre 4
        Introduction aux transferts radiatifs63
      • Rémi Carminati63
      • 1. Introduction63
      • 2. Équation de transfert radiatif63
      • 2.1 Luminance, flux, densité d'énergie64
      • 2.2 Absorption, diffusion et émission thermique65
      • 2.2.1 Absorption65
      • 2.2.2 Extinction par diffusion65
      • 2.2.3 Diffusion : fonction de phase66
      • 2.2.4 Émission thermique66
      • 2.3 Établissement de l'ETR (bilan d'énergie radiative)67
      • 2.4 Discussion68
      • 3. De l'ETR à l'approximation de la diffusion68
      • 3.1 De l'approximation P1 à l'équation de diffusion69
      • 3.1.1 Équation de conservation de l'énergie70
      • 3.1.2 Expression du flux radiatif70
      • 3.1.3 Approximation de la diffusion71
      • 3.2 Discussion72
      • 3.3 Approximation de Rosseland72
      • 4. Analyse des différents régimes de transport73
      • 4.1 Transmission statique : conductance « ohmique » et déviation à courte échelle73
      • 4.2 Transitions entre régimes dans le cas dynamique75
      • 4.3 Composante balistique et diffuse dans l'ETR77
      • 5. Approche électromagnétique de l'émission thermique77
      • 5.1 Approche intuitive du mécanisme d'émission thermique78
      • 5.2 Principe d'un calcul d'émission thermique. Théorème fluctuation-dissipation78
      • 5.2.1 Densité spectrale de puissance. Corrélation spectrale78
      • 5.2.2 Théorème fluctuation-dissipation79
      • 5.2.3 Lien entre le champ et les courants : fonction de Green79
      • Annexe A : Exemples de fonction de phase81
      • 5.3 Dépendance angulaire81
      • 5.4 Fonction de phase constante81
      • 5.5 Fonction de phase de Rayleigh81
      • 5.6 Fonction de phase de Henyey-Greenstein81
      • 5.7 Fonction de phase de Mie82
      • 5.8 Développement sur les polynômes de Legendre82
      • Références bibliographiques83
      • Chapitre 5
        Résolution de l'équation de Boltzmann pour le transport de photons87
      • Denis Lemonnier87
      • 1. Introduction87
      • 2. Modèle théorique88
      • 2.1 Intensité. Énergie interne. Flux88
      • 2.2 Équation de transfert90
      • 2.3 Régime diffusif92
      • 3. La méthode P192
      • 3.1 Principe93
      • 3.2 Conditions aux limites96
      • 3.3 Résolution numérique97
      • 3.4 Avantages. Inconvénients97
      • 4. La méthode des ordonnées discrètes97
      • 4.1 Principe général98
      • 4.1.1 Calcul de l'énergie interne et du vecteur densité de flux98
      • 4.1.2 Calcul des flux pariétaux incidents et représentation des conditions aux limites98
      • 4.2 Choix des quadratures100
      • 4.2.1 Quadratures SN100
      • 4.2.2 Autres quadratures101
      • 4.2.3 Mise en oeuvre en coordonnées cartésiennes102
      • 4.3 Intégration de l'ETR sur un volume de contrôle103
      • 4.3.1 Les ordonnées discrètes en coordonnées cylindriques105
      • 4.4 Intégration sur un volume de contrôle106
      • 4.4.1 Conservation de l'intensité108
      • 4.4.2 Expression discrétisée108
      • 4.4.3 Première direction sur chaque latitude109
      • 4.5 Avantages. Inconvénients110
      • Annexe : Méthode P1 et équation hyperbolique de la chaleur112
      • 4.6 Méthode P1 en régime instationnaire112
      • 4.7 Équation de transport hyperbolique113
      • 4.8 Régime diffusif113
      • 4.9 Comparaison avec l'équation hyperbolique de la chaleur114
      • Références bibliographiques116
      • Chapitre 6
        Modélisation du transfert radiatif aux courtes échelles de longueur119
      • Karl Joulain119
      • 1. Introduction119
      • 2. Rappels de rayonnement électromagnétique120
      • 2.1 Équations de Maxwell, relations constitutives120
      • 2.2 Développement en ondes planes121
      • 2.3 Conservation de l'énergie, vecteur de Poynting, densité d'énergie122
      • 2.4 Potentiels124
      • 2.5 Rayonnement dipolaire124
      • 3. Méthode de calcul de transfert radiatif aux courtes échelles127
      • 3.1 Émission thermique d'une nanoparticule127
      • 3.2 Calcul de la puissance radiative échangée entre deux nanoparticules sphériques128
      • 4. Émission thermique par une surface plane en champ proche131
      • 5. Transfert radiatif en champ proche entre deux plans137
      • 6. Conclusion140
      • Références bibliographiques141
      • Chapitre 7
        La Méthode de Monte-Carlo143
      • Sebastian Volz143
      • 1. Introduction143
      • 1.1 Objectifs144
      • 1.2 Les porteurs d'énergie et le flux de chaleur145
      • 2. La méthode de Monte-Carlo appliquée au calcul du flux thermique147
      • 2.1 Principes de la méthode147
      • 2.2 Échantillonnage des marches aléatoires147
      • 2.3 Calcul de moyenne et erreur statistique149
      • 3. Transfert dans les gaz en régimes balistique et quasi-balistique150
      • 3.1 Molécules et flux thermique151
      • 3.2 Les lois de tirage des marches aléatoires153
      • 3.3 Lois de choc154
      • 3.4 Cas du transfert entre une pointe chaude et une surface155
      • 4. Transfert dans les cristaux isolants en régimes balistiques et quasi-balistiques157
      • 4.1 Phonons, température et flux thermique158
      • 4.2 Technique des cellules isothermes158
      • 4.3 Modélisation des marches aléatoires158
      • 4.4 Cas du calcul de la conduction dans un film fin161
      • 5. Conclusion162
      • Références bibliographiques163
      • Chapitre 8
        La technique de la dynamique moléculaire165
      • Patrice Chantrenne165
      • 1. Principe de la dynamique moléculaire165
      • 1.1 Définitions - notations166
      • 1.2 Schémas d'intégration de l'équation de Newton168
      • 1.2.1 Algorithme de Verlet168
      • 1.2.2 Algorithme de Gear169
      • 1.2.3 Choix d'un algorithme d'intégration170
      • 1.3 Potentiels d'interaction170
      • 1.4 Mise en oeuvre172
      • 1.5 Répartition de l'énergie174
      • 2. Calcul de la conductivité thermique177
      • 2.1 Dynamique moléculaire à l'équilibre178
      • 2.2 Dynamique moléculaire hors équilibre non homogène179
      • 2.2.1 Puissance imposée180
      • 2.2.2 Températures imposées180
      • 2.3 Dynamique moléculaire hors équilibre homogène182
      • 3. Détermination des propriétés vibratoires182
      • 3.1 Transfert de chaleur par les phonons182
      • 3.2 Détermination des propriétés vibratoires184
      • 4. Conclusion185
      • Références bibliographiques187
      • Chapitre 9
        Microscopies à sondes locales191
      • Bernard Cretin, Séverine Gomès, Nathalie Trannoy, Pascal Vairac191
      • 1. Introduction191
      • A. Introduction aux microscopies à sonde locale193
      • 1. Principes de base des microscopies à sonde locale193
      • 2. Historique : des microscopes conventionnels aux microscopes à sonde locale196
      • 3. Les microscopes à sonde locale198
      • 3.1 Le microscope à effet tunnel électronique (STM = Scanning Tunneling Microscopy)199
      • 3.2 Microscopie à force atomique (AFM)200
      • 3.3 Microscopie optique à sonde locale203
      • 3.4 Microscopie acoustique à sonde locale205
      • Références bibliographiques207
      • B. Développement de la microscopie thermique à sonde locale211
      • 1. Couplage de la microscopie à champ proche à la thermique211
      • 1.1 Techniques basées sur le microscope à effet tunnel (STM)211
      • 1.2 Techniques basées sur le microscope à forces atomiques (AFM)215
      • 2. Les sondes thermiques218
      • 2.1 La pointe thermocouple218
      • 2.2 Les microleviers dynamiques221
      • 2.3 Les sondes thermorésistives222
      • Références bibliographiques225
      • C. Le microscope thermique à sonde locale - TopoMetrix227
      • 1. Intérêt de la méthode227
      • 2. Présentation de la méthode227
      • 2.1 Description du dispositif expérimental227
      • 2.2 Principe de la mesure thermique228
      • 3. Contraste de l'image thermique231
      • 3.1 Le signal « thermique »231
      • 3.2 Transfert thermique pointe-échantillon233
      • 3.2.1 Transferts de chaleur à faible distance entre deux solides233
      • 3.2.2 Transferts de chaleur au contact entre deux solides235
      • 3.3 Résolutions de la pointe236
      • 3.4 Artefacts dans les images thermiques237
      • 3.4.1 Artefacts liés à la topographie237
      • 3.4.2 Artefacts liés à la forme de la pointe238
      • 3.5 Autres sources d'erreur238
      • 4. Contrôle et optimisation des fonctions du SThM239
      • 5. Analyse de la mesure en mode « température constante »240
      • 5.1 Régime DC240
      • 5.1.1 Sensibilité de la mesure à la conductivité thermique de l'échantillon240
      • 5.1.2 Approches de la mesure241
      • 5.2 Régime AC244
      • 5.3 Quelques applications en mode « température constante »246
      • 6. Analyse de la mesure en mode « courant constant »247
      • 7. Conclusion249
      • Références bibliographiques251
      • Liste des sigles254
      • Chapitre 10
        Techniques optiques de mesure des propriétés locales et applications255
      • Stefan Dilhaire, Danièle Fournier, Gilles Tessier255
      • 1. Génération d'ondes thermiques et thermoélastique255
      • 1.1 Génération d'ondes par effets thermoélectriques255
      • 1.1.1 Effets Joule, Peltier et Thomson255
      • 1.1.2 Champs de température et champs de déplacements256
      • 1.1.3 Ondes thermoélastiques259
      • 1.2 Génération optique260
      • 1.2.1 Génération d'une onde thermique par voie optique260
      • 1.2.2 Matériaux semiconducteurs263
      • 1.2.3 Sources et modulation de l'illumination264
      • 2. Détection d'ondes thermiques et thermoélastiques265
      • 2.1 Réflectomètrie266
      • 2.1.1 Dépendance en température de R266
      • 2.1.2 Étalonnage267
      • 2.1.3 Approche focalisée - Monodétecteur268
      • 2.1.4 Matrice de détecteurs - Imagerie270
      • 2.2 Sondes interférométriques273
      • 2.2.1 Interférométrie hétérodyne274
      • 2.2.2 Interféromètre de Michelson homodyne stabilisé277
      • 2.2.3 Approche focalisée - Monodétecteur280
      • 2.2.4 Imagerie de phase - Matrices de détecteurs282
      • 3. Applications286
      • 3.1 Champs de température et champs de déplacements : ordres de grandeur286
      • 3.1.1 Mesure de diffusivités thermiques locales et mise en évidence de résistances thermiques286
      • 3.1.2 Mise en évidence d'interférences d'ondes thermoélastiques présentes dans les circuits intégrés en fonctionnement : ampèremètre optique287
      • 3.2 Localisation de points chauds et cartographie de température290
      • 3.2.1 Localisation de défauts : imagerie qualitative290
      • 3.2.2 Imagerie quantitative290
      • 3.3 Mesure de propriétés thermo-physiques294
      • 3.3.1 Mesure de diffusivités sur structure composite294
      • 3.3.2 Identification de propriétés thermophysiques sur circuits intégrés [53, 54]295
      • Références bibliographiques297
      • Chapitre 11
        Techniques hybrides. Microscopes multifonctions301
      • Bernard Cretin, Pascal Vairac301
      • 1. Physique des microscopes combinant les effets thermiques et thermo-élastiques301
      • 2. Quelle résolution pour quel microscope ?305
      • 3. Microscopies combinées photo-thermo-élastiques310
      • 3.1 Microscopes basés sur une sonde thermoélectrique310
      • 3.2 Microscopes basés sur la détection de la dilatation314
      • 4. Quelles perspectives pour les microscopies combinées photo-thermo-élastiques ?316
      • Références bibliographiques318
      • Chapitre 12
        Interactions électrons-phonons et réponses aux temps ultracourts dans les métaux323
      • Fabrice Vallée323
      • 1. Introduction323
      • 2. Structures électroniques et vibrationnelles des systèmes métalliques324
      • 2.1 Structure électronique des métaux nobles324
      • 2.1.1 Structure de bandes électroniques : métaux massifs324
      • 2.1.2 Structure de bandes électroniques : métaux confinés326
      • 2.1.3 Distribution électronique326
      • 2.2 Vibrations réticulaires327
      • 2.2.1 Relation de dispersion des phonons327
      • 2.2.2 Vibrations réticulaires : modes de vibration de nanoparticules328
      • 3. Propriétés optiques des métaux329
      • 3.1 Réponse optique à l'équilibre329
      • 3.1.1 Métaux nobles massifs329
      • 3.1.2 Nanoparticules métalliques330
      • 3.2 Étude pompe-sonde femtoseconde330
      • 3.2.1 Principe330
      • 3.2.2 Excitation optique femtoseconde331
      • 3.2.3 Sonde optique femtoseconde332
      • 4. Interactions électrons-réseau : échanges d'énergie333
      • 4.1 Modèle cinétique : l'équation de Boltzmann333
      • 4.2 Interaction électrons-phonons : métaux massifs334
      • 4.3 Échanges d'énergie en régime thermal : le modèle à deux températures336
      • 4.4 Interactions électrons-réseau dans les nanoparticules métalliques339
      • 5. Modes de vibrations acoustiques de nanosphères340
      • 5.1 Modes de vibrations340
      • 5.2 Études résolues en temps342
      • Références bibliographiques344
      • Chapitre 13
        Thermique aux temps courts dans les solides347
      • Bernard Perrin347
      • 1. Introduction347
      • 2. Génération acoustique et thermique par une impulsion laser ultracourte348
      • 2.1 Génération acoustique en l'absence de diffusion thermique348
      • 2.2 Prise en compte de la diffusion thermique352
      • 2.2.1 Film opaque352
      • 2.2.2 Film mince opaque sur substrat avec résistance d'interface355
      • 2.2.3 Particule métallique358
      • 3. Détection optique des transitoires thermiques et acoustiques359
      • 4. Dispositifs expérimentaux362
      • 4.1 Détection interférométrique364
      • 4.1.1 Interféromètre de Sagnac - Détection différentielle [4-7]365
      • 4.1.2 Sensibilité des mesures interféromètriques365
      • 4.2 Effets cumulatifs du train d'impulsions pompe [25, 37]366
      • 5. Conclusion368
      • Références bibliographiques370
      • Bibliographie générale373
      • Liste des auteurs374
      • Table des matières376

  • Origine de la notice:
    • BNF

  • Disponible - 621.61 VOL

    Niveau 3 - Techniques

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