Thèse Année : 2024

Thermal fluxes control using Metamaterial and other techniques

Contrôle des flux thermiques à l'aide de métamatériaux et d'autres techniques

Résumé

This thesis explores advanced methods for controlling heat flow in thermal metamaterials and to enhance sensor performance and develop innovative solutions in photonic integrated circuits (PICs) and related applications. The research is divided into two main projects. The first project develops devices to concentrate heat using thermal metamaterials. Designs in the literature only considered thermal conductivity (K) and not the density-heat capacity product (ρC). The analysis showed that while the device worked well in steady-state conditions, it can lead to limitations in time-dependent situations. To address this, two new thermal concentrators were created, adressing both K and rho C. These devices were tested through simulation. One of them was fabricated by metal 3D printing and experimentally tested. The results confirmed that these new designs effectively controlled heat flow as expected. The second project focused on improving sensor performance in PICs by managing heat. The first part of this project used trenches and radiators to control heat from plasmonic excitation in nanodiscs, reducing unwanted temperature increases detected by nanowires. This project has been experimentally tested. The second part applied a similar method to photothermal surface plasmon detectors (SPDs) integrated with titanium dioxide (TiO2) waveguides. Trenches and radiators were used to reduce unwanted heat transfer from nearby components, improving measurement accuracy. Both projects provide new solutions for managing heat in nanoscale systems, showing that combining simulations with advanced fabrication techniques can lead to effective control of thermal behavior in complex environments.
Cette thèse explore des méthodes avancées pour contrôler le flux thermique dans les métamatériaux thermiques et améliorer la performance des capteurs, tout en développant des solutions innovantes dans les circuits photoniques intégrés (PICs) et les applications associées. La recherche est divisée en deux principaux projets. Le premier projet développe des dispositifs pour concentrer la chaleur en utilisant des métamatériaux thermiques. Les conceptions existantes dans la littérature ne prenaient en compte que la conductivité thermique (K) sans considérer le produit densité-capacité thermique (ρC). L'analyse a montré que, bien que ces dispositifs fonctionnent bien en conditions stationnaires, ils présentent des limites dans les situations dépendant du temps. Pour y remédier, deux nouveaux concentrateurs thermiques ont été créés, prenant en compte à la fois K et ρC. Ces dispositifs ont été testés par simulation. L'un d'entre eux a été fabriqué par impression 3D métallique et testé expérimentalement. Les résultats ont confirmé que ces nouvelles conceptions contrôlent efficacement le flux thermique comme prévu. Le deuxième projet s'est concentré sur l'amélioration des performances des capteurs dans les PICs en gérant la chaleur. La première partie de ce projet a utilisé des tranchées et des radiateurs pour contrôler la chaleur issue de l'excitation plasmonique dans des nanodisques, réduisant les augmentations de température indésirables détectées par des nanofils. Ce projet a été testé expérimentalement. La deuxième partie a appliqué une méthode similaire aux détecteurs photothermiques à plasmons de surface (SPD) intégrés à des guides d'ondes en dioxyde de titane (TiO2). Des tranchées et des radiateurs ont été utilisés pour réduire les transferts de chaleur indésirables provenant de composants voisins, améliorant ainsi la précision des mesures. Les deux projets apportent de nouvelles solutions pour gérer la chaleur dans des systèmes à l'échelle nanométrique, montrant que la combinaison de simulations et de techniques de fabrication avancées permet de contrôler efficacement le comportement thermique dans des environnements complexes.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04937777 , version 1 (10-02-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04937777 , version 1

Citer

Thiwanka Arepolage. Thermal fluxes control using Metamaterial and other techniques. Thermics [physics.class-ph]. Université Bourgogne Franche-Comté, 2024. English. ⟨NNT : 2024UBFCD050⟩. ⟨tel-04937777⟩
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