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L'étude du chauffage ultra-rapide de nanostructures métalliques ouvre la voie à des applications dans le domaine de la médecine, de l'énergie ou de la chimie. Le principal objectif de cette thèse est la conception d'un modèle théorique et numérique permettant de modéliser et de prédire les phénomènes d'échanges thermiques dans des structures plasmoniques à très courte échelle de temps et d'espace. Ce modèle a été validé par de nombreuses expériences pompe-sonde effectuées sur des films d'or et des réseaux de nanostructures d'or. Nous avons pu utiliser ce modèle pour concevoir et optimiser des échantillons permettant la mise en évidence expérimentale de la propagation de la chaleur sur des échelles de quelques centaines de nanomètre au sein d'une nanostructure d'or., The study of ultra-fast heating of metallic nanostructures opens the way to applications in the fields of medicine, energy and chemistry. The main objective of this thesis is the design of a theoretical and numerical model to model and predict heat exchange phenomena in plasmonic structures on very small time and space scales. This model has been validated by numerous pump-probe experiments carried out on gold films and gold nanostructures. We have been able to use this model to design and optimize samples for the experimental demonstration of heat propagation on scales of a few hundred nanometers within a gold nanostructure., La thermoplasmonique est une branche de la plasmonique exploitant les phénomènes thermiques dans des structures métalliques. Longtemps regardées comme problématiques, les pertes par effet Joule dues à l’absorption de la lumière par des nanoparticules métalliques sont maintenant considérées comme un point de départ pour de nombreuses applications : nanosources thermiques en médecine, enregistrement magnétique, catalyse chimique, thermotronique ou la conversion d’énergie. L’usage de laser femtosecondes sur des structures plasmoniques, permet de créer des nanosources thermiques confinées spatialement atteignant des températures électroniques très élevées devant la température du réseau atomique. L’absorption par un métal d’une impulsion d’énergie peut être décrite en trois étapes principales. Tout d’abord, une absorption des photons par les électrons du métal augmentant l’énergie des électrons à l’échelle de la centaine de femtosecondes avec des températures électroniques pouvant atteindre des milliers de degrés Kelvin alors que la température du réseau, elle, reste quasiment constante. Puis une deuxième étape au cours de laquelle les interactions électron-phonon transmettent l’énergie absorbée par les électrons au réseau, ce qui permet à l’énergie des électrons et du réseau d’atteindre un équilibre. Enfin, l’énergie est dissipée dans le substrat entourant le métal par conduction thermique. Il existe un grand nombre de modèles dans la littérature permettant de décrire le non-équilibre entre électrons et phonons néanmoins, une comparaison rigoureuse et quantitative avec des données expérimentales fait défaut pour valider ou invalider ces modèles. Cela a été l’objectif principal de cette étude. Afin d’étudier ces phénomènes, nous avons utilisé une expérience pompe-sonde où la pompe permet un chauffage ultra-rapide de l’échantillon ce qui provoque un changement de la permittivité dudit matériau. Le faisceau sonde permet alors de mesurer les variations dans le spectre de r, Thermoplasmonics is a branch of plasmonics exploiting thermal phenomena in metallic structures. Long regarded as problematic, Joule losses due to the absorption of light by metallic nanoparticles are now considered as a starting point for many applications : thermal nanosources in medicine, magnetic recording, chemical catalysis, thermotronics or energy conversion. The use of femtosecond lasers on plasmonic structures allows the creation of spatially confined nanosources of heat reaching very high electronic temperatures compared to the temperature of the atomic lattice. The absorption by a metal of a pulse of energy can be described in three main steps. Firstly, absorption of photons by the electrons of the metal increases the electron energy on the scale of a hundred femtoseconds with electronic temperatures that can reach thousands of Kelvin, while the lattice temperature remains almost constant. Then, in a second step, the electron-phonon interactions transmit the energy absorbed by the electrons to the grid, allowing the electrons and phonons to reach equilibrium. Finally, the energy is dissipated into the substrate surrounding the metal by thermal conduction. Many models exist in the literature to describe the non-equilibrium between electrons and phonons. However, a rigorous and quantitative comparison with experimental data is lacking to validate or invalidate these models. This was the main objective of this study. To study these phenomena, I used pump-probe experiments where the pump allows ultra-fast heating of the sample which causes a change in the permittivity of the metal. The probe beam then measure the variations in the reflection and transmission spectrum caused by the change in permittivity. I set up a numerical code for modeling the temperature evolution in a 3D mesh of a structure composed of dielectric and metallic elements. This thermal model takes into account the various energy transport phenomena in a metal such as electron-phono

Résumé: Parmi les technologies du 21e siècle en pleine expansion, la télécommunication sans-fil constitue une dimension fondamentale pour les réseaux mobiles, l’aéronautique, les applications spatiales et les systèmes de positionnement par satellites. Les nouveaux défis à surmonter sont à la fois l’augmentation des distances de transmission associée à l’accroissement des quantités de données véhiculées ainsi que la miniaturisation, la réduction du coût de production, la moindre consommation énergétique et la fiabilité de la solution technologique employée pour la chaîne de transmission. Dans ce sens, l’exploitation de bandes de plus hautes fréquences et la multiplication des canaux de transmission sont activement visées par les travaux de recherches actuels. Les technologies à l’étude reposent sur l’utilisation de systèmes intégrés pour répondre aux considérations de coûts de fabrication et d’encombrement. L’élément de base de ces systèmes, le transistor, établit largement la performance du dispositif final en termes de montée en fréquence, de fiabilité et de consommation. Afin de répondre aux défis présents et futurs, des alternatives à la filière silicium sont clairement envisagées. À ce jour, la filière nitrure de gallium est présentée comme la plus prometteuse pour l’amplification de puissance en bande Ka et W au vu de ses caractéristiques physiques et électriques, des performances atteintes par les prototypes réalisés et des premiers produits commerciaux (off-the-shelf) disponibles. L’exploitation de cette technologie à son plein potentiel s’appuie particulièrement sur la maîtrise des étapes de fabrication, de caractérisation et de modélisation du transistor. Ce travail de thèse a pour objectif le déploiement d’une méthodologie permettant la modélisation semi-physique de transistors fabriqués expérimentalement et démontrant des performances à l’état de l’art. Une partie conséquente de ce travail portera sur la caractérisation thermique du dispositif en fonction, Amongst the emerging and developing technologies of the 21st century, wireless transmission is a fundamental aspect for mobile networks, aeronautics, spatial applications and global positioning systems. Concerning the associated technological solutions, the new challenges to overcome are both the performance increases in terms of data quantity as well as the associated device features in terms of size, production costs, energetic consumption and reliability. In that sense, the use of higher frequency bandwidths and increase of transmission channels are aimed by various current research works. Investigated technologies are based upon integrated systems to meet the criteria of devices costs and size. As the cornerstone of such devices, the transistor largely accounts for the final system performance in terms of working frequency, reliability and consumption. To respond to the challenges of today and tomorrow challenges, alternatives to the dominant current silicon process are clearly considered. To date, gallium nitride based technology is found to be the most promising for hyperfrequency power amplification for Ka and W bands given the associated physical and electrical characteristics, prototypes performance and first commercial “off-the-shelf” products. Exploitation of this technology to its full potential requires controlling and mastering the involved fabrication, characterization and modeling steps related to the transistor. This work aims at establishing a methodology enabling a semi-physical modeling of experimental transistors which exhibit state-of-the-art performance. A significant part of this work will also focus on thermal characterization of devices under test and on modeling of secondary elements (passive elements) suited for the design of hyperfrequency amplifiers.

Le projet présenté ici consiste en la conception et l’étude de faisabilité d’une microturbopompe de type Rankine destinée à être opérée à haute température. Une étude préliminaire est d’abord effectuée pour déterminer la configuration globale ainsi que les matériaux possibles pour l’isolation thermique du dispositif. Il en découle la nécessité d’utiliser des matériaux isolants pour le rotor et la structure statique. Les matériaux retenus sont le quartz et le Pyrex et la surface de la structure statique doit être réduite tout en s’assurant de la solidité du dispositif. Le domaine d’application retenu est la récupération de la chaleur de gaz d’échappements automobiles pour la génération d’énergie électrique. Dans cette application, l’utilisation de panneaux de microturbines pourrait permettre d’économiser jusqu’à 2.7% du carburant consommé. Après que la configuration globale soit définie, les composants rotodynamiques sont conçus en utilisant les modèles physiques les plus actuels. La conception finale comporte la pompe centripète, la turbine à un étage, deux paliers axiaux, un palier radial anisotropique comportant quatre réservoirs ainsi que trois joints d’étanchéité (un joint d’étanchéité spiral à viscosité et deux joints d’étanchéité annulaires) permettant de découpler les écoulements des différents composants. Par la suite, une séquence de procédés est définie ainsi que le concept détaillé incluant les aménagements permettant l’instrumentation et l’opération dans un banc d’essai de la microturbopompe de démonstration. La conception des dix-huit photomasques de fabrication découle de cet exercice. Finalement, des tests de microfabrication sont effectués pour évaluer la faisabilité des principales étapes définies dans la séquence de procédés de fabrication. Les étapes de photolithographie, de gravure du silicium, de collage anodique et par fusion sont démontrées tandis que les défis inhérents à la gravure du Pyrex et du quartz sont explorés. Une approche pour compl

Cette étude porte sur le transfert de chaleur convectif dans l'air autour de deux cylindres chauffés dans une enceinte aux parois d'épaisseur et de conductivité finies. Les cylindres sont placés horizontalement l'un au-dessus de l'autre alignés sur un axe vertical joignant leurs centres. Son objectif est de simuler numériquement le phénomène de transfert de chaleur conjugué et d'analyser l'interaction entre la convection naturelle dans le fluide et la conduction dans les parois de l'enceinte. Un modèle prédictif reposant sur les équations fondamentales de la conservation est présenté. Les équations, formulées en termes de fonction de courant, de vorticité et de température sont écrites dans un repère curviligne qui épouse les frontières irrégulières des cylindres et de l'enceinte. Elles sont intégrées dans des volumes de contrôle et le modèle résultant est résolu à l'aide d'un schéma implicite de relaxation alternée (Alternating Direction Implicit ADI). Des expériences ont été effectuées pour des nombres de Rayleigh, Ra, compris entre 10³ et 10?, pour une épaisseur adimensionnelle du mur (formule : voir document) compris entre 0,25 et 1,375 et un rapport de conductivités thermiques solide/fluide ? compris entre 0,01 et 1000,0 et ce, pour différentes conditions aux frontières de température. Les résultats ont montré qu'une grande résistance thermique des parois de l'enceinte réduit les gradients de température dans le fluide, stabilise l'écoulement et diminue le transfert de chaleur par convection naturelle autour des cylindres. De plus, la quantité de chaleur évacuée à travers la paroi verticale s'est avérée importante même lorsque sa surface extérieure était isolée. Enfin, une relation de type (formule : voir document) = C.Ran a été établie entre le nombre de Rayleigh et le coefficient de transfert de chaleur global autour des deux cylindres pour différentes épaisseurs de mur, différents ? et différentes conditions aux frontières de température.

Cette étude porte sur le transfert de chaleur convectif dans l'air autour de deux cylindres chauffés dans une enceinte aux parois d'épaisseur et de conductivité finies. Les cylindres sont placés horizontalement l'un au-dessus de l'autre alignés sur un axe vertical joignant leurs centres. Son objectif est de simuler numériquement le phénomène de transfert de chaleur conjugué et d'analyser l'interaction entre la convection naturelle dans le fluide et la conduction dans les parois de l'enceinte. Un modèle prédictif reposant sur les équations fondamentales de la conservation est présenté. Les équations, formulées en termes de fonction de courant, de vorticité et de température sont écrites dans un repère curviligne qui épouse les frontières irrégulières des cylindres et de l'enceinte. Elles sont intégrées dans des volumes de contrôle et le modèle résultant est résolu à l'aide d'un schéma implicite de relaxation alternée (Alternating Direction Implicit ADI). Des expériences ont été effectuées pour des nombres de Rayleigh, Ra, compris entre 10³ et 10?, pour une épaisseur adimensionnelle du mur (formule : voir document) compris entre 0,25 et 1,375 et un rapport de conductivités thermiques solide/fluide ? compris entre 0,01 et 1000,0 et ce, pour différentes conditions aux frontières de température. Les résultats ont montré qu'une grande résistance thermique des parois de l'enceinte réduit les gradients de température dans le fluide, stabilise l'écoulement et diminue le transfert de chaleur par convection naturelle autour des cylindres. De plus, la quantité de chaleur évacuée à travers la paroi verticale s'est avérée importante même lorsque sa surface extérieure était isolée. Enfin, une relation de type (formule : voir document) = C.Ran a été établie entre le nombre de Rayleigh et le coefficient de transfert de chaleur global autour des deux cylindres pour différentes épaisseurs de mur, différents ? et différentes conditions aux frontières de température.

Ce travail présente l'étude numérique d'un problème conjugué de transfert thermique; on analyse en particulier les effets de la conduction à travers la paroi d'un tuyau circulaire incliné sur un écoulement laminaire développé à l'intérieur de celui-ci. Le tuyau est soumis à un flux de chaleur uniforme à sa surface extérieure. Le mode de convection mixte (forcée et libre) est considéré. La paroi du tuyau est caractérisée par deux paramètre, à savoir sa conductivité thermique et son épaisseur. Les champs hydrodynamique et thermique du fluide ainsi que les conditions thermiques à l'interface fluide-solide sont présentés pour trois types de fluides (air, eau et un fluide très visqueux). Une étude paramétrique portant sur l'influence des paramètres du tuyau et de l'inclinaison est entreprise, et ce, pour chacun des fluides précités. La variation du coefficient de transfert de chaleur en fonction du nombre de Grashof ainsi que les effets de l'inclinaison sur le transfert de chaleur global et la perte de charge ont été déterminés. Les résultats obtenus ont montré que les effets de la paroi du tuyau sont remarquables pour toute la gamme des inclinaisons considérées, excepté le cas vertical. L'écoulement secondaire et le champ thermique du fluide présentent des comportements différents suivant les valeurs des paramètres du tuyau. Le transfert de chaleur global et la perte de charge résultants des différentes conditions thermiques à l'interface fluide­ solide se distinguent aussi d'un fluide à un autre.

Ce travail présente l'étude numérique d'un problème conjugué de transfert thermique; on analyse en particulier les effets de la conduction à travers la paroi d'un tuyau circulaire incliné sur un écoulement laminaire développé à l'intérieur de celui-ci. Le tuyau est soumis à un flux de chaleur uniforme à sa surface extérieure. Le mode de convection mixte (forcée et libre) est considéré. La paroi du tuyau est caractérisée par deux paramètre, à savoir sa conductivité thermique et son épaisseur. Les champs hydrodynamique et thermique du fluide ainsi que les conditions thermiques à l'interface fluide-solide sont présentés pour trois types de fluides (air, eau et un fluide très visqueux). Une étude paramétrique portant sur l'influence des paramètres du tuyau et de l'inclinaison est entreprise, et ce, pour chacun des fluides précités. La variation du coefficient de transfert de chaleur en fonction du nombre de Grashof ainsi que les effets de l'inclinaison sur le transfert de chaleur global et la perte de charge ont été déterminés. Les résultats obtenus ont montré que les effets de la paroi du tuyau sont remarquables pour toute la gamme des inclinaisons considérées, excepté le cas vertical. L'écoulement secondaire et le champ thermique du fluide présentent des comportements différents suivant les valeurs des paramètres du tuyau. Le transfert de chaleur global et la perte de charge résultants des différentes conditions thermiques à l'interface fluide­ solide se distinguent aussi d'un fluide à un autre.