Ce travail présente le développement d'une nouvelle technique d'imagerie thermique utilisant une nanoparticule fluorescente comme capteur de température. La particule est fixée à l'extrémité d'une pointe de microscope à force atomique. En contact avec une surface ou un dispositif plus ou moins chaud, la fluorescence de la particule varie et permet de déterminer la température. La particule utilisée contient des ions de terres rares (erbium et ytterbium) dont certaines raies d'émission sont en équilibre thermique. La mesure de l'intensité relative de ces raies permet de déterminer la température absolue du matériau, et donc de la surface avec lequel il est en contact. Nous avons tout d'abord utilisé cette technique pour étudier l'échauffement de pistes résistives (aluminium et nickel) parcourues par un courant continu. Dans le cas de pistes d'aluminium, la résolution latérale thermique que nous avons obtenue est d'environ 250 nm, de l'ordre de la taille de la particule fluorescente. Nous avons ensuite utilisé cet instrument pour observer l'échauffement de pistes parcourue par un courant alternatif. Ce mode permet d'observer où sont localisées les variations de température, mais ne permet pas pour l'instant de déterminer la température absolue du dispositif. A l'aide de ce mode de fonctionnement, nous avons observé l'échauffement dans des pistes de nickel dont la largeur est de l'ordre de 200 nm. Enfin, en effectuant des courbes d'approche/retrait, nous avons aussi pu mesurer l'importance relative des différents mécanismes de transfert de chaleur entre la pointe et la surface. Dans le cas de pistes de taille submicronique, le transfert de chaleur par contact direct est de loin le plus efficace.

La présence d'ondes de surface sur certains matériaux (métaux, semiconducteurs dopés, cristaux polaires, cristaux photoniques) modifie leurs propriétés radiatives.<br />La 1ère partie de cette thèse est consacrée au phénomène d'émission thermique cohérente et amplifiée par plasmon-polaritons de surface. Nous avons tout d'abord conçu et réalisé une source thermique de tungstène avec une directivité exceptionnelle dans le proche infrarouge. Nous avons ensuite étudié le refroidissement radiatif du silicium dopé grâce à l'amplification d'émission thermique par plasmons de surface. Nous avons comparé les performances de ces sources cohérentes avec celles d'un système anti-réfléchissant : l'écran de Salisbury.<br />Dans la 2ème partie, nous étudions l'impact du transfert radiatif en champ proche sur la conversion thermophotovoltaïque (TPV). L'excitation d'ondes de surface sur la source éclairant la cellule TPV engendre un transfert radiatif amplifié et quasi-monochromatique. Nous présentons un modèle quantitatif permettant de calculer le photocourant et le rendement. Nous montrons que l'on peut obtenir une augmentation significative de la puissance électrique extraite et du rendement d'un dispositif TPV éclairé en champ proche.<br />La 3ème partie porte sur les propriétés radiatives des cristaux photoniques induites par ondes de surface. Deux phénomènes connus en plasmonique ont pu être obtenus : la transmission résonante à travers un film opaque et l'émission thermique cohérente. Un avantage des cristaux photoniques est la possibilité de modifier la fréquence d'excitation des ondes de surface en faisant varier les paramètres du cristal.

L'objectif de cette thèse était de proposer une nouvelle méthode pour le stockage de masse sur disque dur et d'en démontrer la faisabilité. L'enregistrement thermomagnétique sous pointe utilise l'effet combiné d'un échauffement local produit par transfert thermique en champ proche avec une pointe chaude et d'un champ magnétique macroscopique pour retourner l'aimantation d'un point mémoire nanostructuré.<br />Une première partie du travail a été de déterminer les conditions pour lesquelles l'échauffement local était suffisant (400-450K) pour retourner l'aimantation sous faible champ magnétique. Des simulations numériques ont permis de montrer que les transferts thermiques par l'air et radiatif étaient trop faibles pour produire un tel échauffemment. L'utilisation d'un substrat structuré et isolant est d'autre part nécessaire pour limiter les pertes thermiques par conduction.<br />La conductivité thermique du silicium poreux peut atteindre des conductivités thermiques aussi faibles que 0.14W.m-1.K-1 pour des porosités de 70%. Une couche de poreuse est formé à partir d'un substrat structuré de silicium. Les propriétés magnétiques des multicouches Co/Pt et d'alliage amorphe de TbFeCo déposées sur silicium poreux et substrat de silicium poreux ont été étudiées. En ce qui concerne les multicouches Co/Pt, déposées sur une couche poreuse de 5µm d'épaisseur, elles sont compatibles avec l'enregistrement magnétique à hautes densités.<br />Des pointes AFM chauffantes ont été réalisées à partir de pointes commerciales afin d'être montée sur un microscope AFM. Malgré leur forte consommation électrique et leur temps de réponse lent, elles peuvent être échauffées à haute température. D'autre part, un microscope AFM a été spécialement adapté pour réaliser des tests d'écriture thermomagnétique. Les premiers test ont mis en évidence le retournement assisté thermiquement d'un plot magnétique. Des efforts devront être réalisés pour permettre une procédure d'écriture plus systématique et reproductible.<br />Un montage expérimental permettant de mesurer les échanges thermiques en champ proche entre un pointe et une surface est en cours de développement. Des premiers résultats prometteurs ont mis en évidence la présence de plusieurs régimes d'échange thermique.

Ce manuscrit traite du rayonnement thermique à l’échelle nanométrique et du contrôle de l’échange d’énergie radiative entre deux corps, afin d’augmenter les performances de conversion énergétique des systèmes thermophotovoltaïques (TPV). Les bases du rayonnement thermique et de la conversion photovoltaïque sont tout d’abord rappelées. Les flux rayonnés par des émetteurs multicouches supportant des phénomènes d’interférence sont ensuite calculés numériquement. Ces phénomènes permettent de contrôler le spectre d’émission et donc l’optimisation d’un émetteur sélectif pour des applications TPV. Il s’avère important de prendre en compte l’évolution en température des propriétés optiques des matériaux constituant l’émetteur. Il est démontré que le contrôle des phénomènes d’interférences au sein des structures multicouches sur substrat métallique permet d’obtenir des émissivités spectrale et totale hémisphérique 20 fois supérieures à celles du substrat seul. Le chapitre suivant est dédié au rayonnement thermique en champ proche entre un émetteur semi-infini et une couche mince. Cette configuration est proche d’un système TPV, où l’émetteur semi-infini peut être assimilé au corps rayonnant, et le film à une cellule PV. Différent phénomènes sont analysés : le comportement des résonances de polaritons de surface, l’absorption spatiale de la puissance radiative en champ proche et les phénomènes d’interférences dans le régime de transition champ proche-champ lointain. Ces phénomènes peuvent être mis à profit pour la conception de spectres optimisés. Dans le dernier chapitre, les performances de systèmes TPV en champ proche (TPV-CP) sont simulées numériquement à l’aide d’un code couplé transport des charges-rayonnement. Les modèles basés sur l’hypothèse de faible injection utilisés généralement pour simplifier le problème du transport des charges électriques dans la cellule PV sont évalués en détails. Différentes architectures de cellules permettant d’optimiser les performances du système sont présentées en conclusion. Ces travaux offrent un nouvel éclairage sur le rayonnement des structures multicouches et leur application à la conversion thermophotovoltaïque. / This thesis deals with thermal radiation at nanoscale in order to increase the energy conversion performances of thermophotovoltaic systems (TPV) The basics of thermal radiation and of photovoltaic energy conversion are recalled first. The flux radiated by few-layers emitters supporting interference phenomena are then calculated numerically. These phenomena allows controlling the emission spectrum, and thus the optimization of a selective emitter for TPV application. The next chapter is dedicated to near-field thermal radiation between a semi-infinite emitter and a flat film. This configuration is close to a TPV system, where the semi-infinite emitter can be related to the radiating body, and the film to the photovoltaic device. Different phenomena are analyzed: the behavior of the surface polariton resonances, the spatiale absorption of the radiative power and the interference phenomena in the near-to-far field transition regime. These phenomena can be used to design optimal spectra. In the last chapter, the performances of TPV system under near-field regime (NFR-TPV) are numerically simulated with a coupled charge transport/thermal radiation code. The models based on the low-injection approximation commonly used to simplify the charge transport problem inside the PV device are evaluated in details. Several cell architectures optimizing the performances of the system are then presented. All these results shed new light on thermal radiation of multilayers and their application to thermophotovoltaic conversion.

Durant ces travaux, nous nous sommes intéressés à l’étude des transferts thermiques aux nano-échelles dans les couches minces par spectroscopie pompe-sonde femtoseconde. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la mesure haute-cadence de la conductivité thermique d’alliages de Fe-Si-Ge et Ti-Ni-Sn, dans le but d’optimiser leur processus de fabrication et de créer une base de données des propriétés thermiques de ces matériaux. Afin de pouvoir mesurer une grande quantité d’échantillons en un temps réduit, un système de mesure haute cadence entièrement automatisé a été développé et utilisé avec succès. Dans un second temps,ces travaux ont portés sur l’étude du transport thermique dans trois matériaux (Ge, GaAs In-GaAs) par spectroscopie pompe-sonde femtoseconde. Une nouvelle méthode de mesure de la réponse spectrale des nanomatériaux sur une gamme de fréquences allant de quelques centaines de kHz jusqu’au THz a été développée. Les mesures à l’aide de cette méthode ont permis de confirmer la présence d’un régime de transport qualifié de quasi-balistique dans certains matériaux,et une méthode d’extraction de propriétés thermiques à partir de la réponse spectrale mesurée, et prenant en compte ces effets quasi-balistiques, a été développée. L’ensemble des résultats obtenus par ces nouvelles méthodes confirment les travaux précédents décrits dans la littérature. Enfin, la mesure de la réponse spectrale d’un nano-matériau à haute fréquence est en grande partie limitée par la gigue des cavités lasers utilisées par l’expérience. Ainsi, la dernière étape a été de développer un système de mesure de cette gigue et de synchronisation de cavités laser qui pourra permettre de repousser la limite des fréquences mesurables par spectroscopie pompe-sonde femtoseconde. / In this work, we studied ultrafast thermal transport at nanoscale in thin films by femtosecond pump-probe thermal spectroscopy. We first developed a high-throughput heterodyne thermoreflectance setup that allows the extraction of thermal properties of a large number of sample in a minimum time, aiming at creating a database of these properties for a large numberof thin film ternary alloys with thermoelectric potential. In the second part of this work, wefocused on the study of thermal transport in three materials : Ge, GaAs and InGaAs. A high resolution phonon spectroscopy setup, along with a spectral reconstruction method allowed usto measure the response of these materials up to several tens of GHz in Fourier domain, which highlighted the presence of non-diffusive thermal transport in InGaAs. Non-diffusive theory,based on Lévy dynamics, allowed us to model this superdiffusion phenomenon and to extract coherent, frequency-independant thermal properties of these materials. Also, high frequency(>GHz) measurements of these spectral responses have shown interesting effects related to the ultrafast thermalisation in transducer-like very thin films. Finally, high-frequency thermal spectroscopy is inherently limited by the intrinsic timing jitter of laser cavities. Thus, the last partof this work was dedicated to developing a timing jitter measurement and active laser synchronisation system in order to increase the signal-to-noise ratio and access higher frequencies in pump-probe thermal spectroscopy experiments.

L'émission thermique à partir d'un corps chaud a été longtemps considérée comme étant large bande et quasi-isotrope. Aujourd'hui nous savons que ce paradigme est faux et de nombreux matériaux micro et nanostructurés ont été développés pour rayonner dans des bandes spectrales étroites et autour de certaines directions d'espace. Les techniques modernes de dépôt permettent maintenant de concevoir des structures complexes à base de matériaux métalliques, polaires ou diélectriques à l'échelle nanométrique. Ces avancées soulèvent la question de la meilleure structure possible pour obtenir des propriétés radiatives désirées et pour augmenter le degré de cohérence d'une source. Cependant, jusqu'à présent, seules des stratégies heuristiques basées sur une approche de type essai-erreur ont été suivies pour concevoir des sources thermiques. Dans ce travail de thèse, nous présentons une méthode générale pour le design ab-initio de sources thermiques cohérentes en champ lointain et en champ proche. Le cadre de ce travail est celui de la théorie des matrices de diffusion et de l'électrodynamique fluctuationnelle. De nouveaux effets de champ proche sont prédits théoriquement pour les matériaux nanostructurés multicouches. Ils ouvrent de nouvelles opportunités pour améliorer de façon significative les performances des technologies modernes de conversion d'énergie.