Στην εργασία αυτή θα ασχοληθούμε με τη διφωτονική απορρόφηση και τις εφαρμογές της. Θα πρέπει πρώτα να πούμε δύο λόγια γι’αυτήν, να εξηγήσουμε περί τίνος πρόκειται και γι’αυτό θα αρχίσουμε από τα βασικά. Όταν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία κυκλικής συχνότητας ω0 προσπίπτει σε ένα υλικό μέσο, τα άτομά του λειτουργούν σαν ταλαντωτές, με την έννοια πως ταλαντώνονται στη συχνότητα της ακτινοβολίας, απορροφώντας την και επανεκπέμποντάς την. Παρομοιάζοντας έναν τέτοιο ταλαντωτή με σύστημα μάζας-ελατηρίου, το ρόλο της μάζας τον παίζει το ηλεκτρόνιο (για λόγους απλότητας θεωρούμε πως το άτομο έχει μόνο ένα) και το ρόλο του ελατηρίου οι δυνάμεις έλξης ηλεκτρονίου-πυρήνα. Το «ελατήριο» στη μιά του άκρη είναι στερεωμένο στον πυρήνα, που λόγο μεγάλης μάζας (σε σύγκριση με το ηλεκτρόνιο) θεωρείται ακίνητος. Όταν η ένταση του Η/Μ πεδίου είναι μικρή, το ηλεκτρόνιο δεν απομακρύνεται πολύ από τη θέση ισορροπίας του και ο ταλαντωτής μας μπορεί να θεωρηθεί αρμονικός, και έχουμε γραμμικά φαινόμενα. / -

L’utilisation de micromembranes suspendues chauffées par effet Joule comme source de rayonnement infrarouge est une piste prometteuse pour la réalisation de détecteurs de gaz compacts, basse consommation et à bas coût. Afin d’améliorer l’efficacité de ces dispositifs récemment introduits, il est nécessaire d’optimiser ceux-ci à la fois du point de vue optique et thermique.En ajoutant des résonateurs plasmoniques frustrés sur les membranes, il est possible de modifier l’émissivité de ces dernières, afin de contrôler spectralement et angulairement le rayonnement émis. De cette façon, la puissance utile est augmentée, tandis que la consommation électrique diminue. D’autre part, l’étude en profondeur des rôles des différents canaux thermiques conduit à relier rayon de la membrane, temps de chauffe et énergie disponible par mesure et de définir un régime optimal de fonctionnement dynamique.Finalement les membranes sont fabriquées en salle blanche et caractérisées électriquement, optiquement et mécaniquement afin d’estimer les gains en performances. La réalisation d’un prototype de capteur de CO2 à 4,26 µm à partir de ces sources indique des précisions de l’ordre de la vingtaine de ppm pour une consommation d’un milliwatt, en compétition favorable avec l’état de l’art mondial dans ce domaine. / Joule-heated suspended microhotplates can be used as infrared sources in cheap, low-consumption spectroscopic gas sensors. To enhance the very low efficiency of first generation structures, both their thermal and optical designs have to be optimized.The implementation of frustrated plasmonic resonators on top of the membrane grants both spectral and angular control of its emissivity. It is thus possible to make it radiate only at the frequencies absorbed by the gas under study, and in the solid angle of the detector. This leads to an increase in useful radiated power while the overall electrical consumption is decreased. Dynamical studies of membrane heating provide welcome insight on the relationship between membrane radius, heating time and energy consumption per measurement. The existence of a compromise is demonstrated in order to maximize the radiative efficiency, and its physical interpretation is detailed.Eventually, membranes fabricated in LETI’s clean room were characterized to measure their electrical, optical and mechanical properties. The implementation of such sources in a CO2 prototype sensor led to state-of-the-art results, with a few dozen ppm sensitivity with a power consumption of only one milliwatt.

La situation énergétique actuelle impose le développement de technologies qui utilisent des énergies renouvelables pour limiter la dépendance aux ressources fossiles et diminuer l’impact de l’activité humaine sur le changement climatique. Parmi ces technologies, le solaire thermodynamique utilise l’énergie solaire pour chauffer un absorbeur, l’énergie de cet absorbeur étant alors convertie en électricité à travers un cycle thermodynamique classique. L’amélioration des performances de cette technologie passe par la conception d’absorbeurs capables de fonctionner efficacement à haute température. Dans ce travail de thèse, nous explorons deux voies différentes dans ce but.La première est basée sur la conception de structures multicouches optimisées par algorithme génétique. Nous montrons que ces structures permettent d’obtenir un rendement supérieur à 80 %, valeur très proche des limites fondamentales, démontrant ainsi leur fort potentiel pour le solaire thermodynamique.La seconde voie est basée sur l’optimisation des interactions électromagnétiques dans des structures plasmoniques à base de nanoparticules métalliques. Ces structures sont le siège d’effets coopératifs qui peuvent exalter très fortement les pertes dans la structure. Ces mécanismes sont mis à profit pour concevoir des absorbeurs à base de réseaux binaires de nanoparticules d’or et d’argent dispersées dans une matrice transparente. / The current energy situation requires the development of technologies that use renewable energy sources to reduce the dependence on fossil fuels and the impact of human activity on climate change. Among these technologies, thermodynamic solar power uses solar energy to heat an absorber, whose heat is then converted into electricity through a classical thermodynamic cycle. The improvement of the performances of this technology requires the design of absorbers able to operate strongly at high temperature. In this thesis, we explore two different ways for this purpose.The first is based on the design of multilayer structures optimized by a genetic algorithm.We will see that these structures lead to an efficiency higher than 80 %, very close to the fundamental limits, demonstrating so their strong potential for thermodynamic solar technology. The second way is based on the optimization of electromagnetic interactions inside plasmonic nanostructures composed of metal nanoparticles. These structures are the site of cooperative effects between nanoparticles that can exalt strongly losses inside the structure. These mechanisms are exploited to design absorbers based on binary networks made with nanoparticles of gold and silver dispersed in a transparent matrix.