Influence of the nonlocal effects on the near-field radiative heat transfer

In this thesis, we study the validity of few nonlocal models of the dielectric permittivity in the calculation of the radiative heat transfer coefficient between two semi-infinite parallel dielectric planes separated by a vacuum gap of width d.In past theoretical studies, it has been shown that upon considering a local model of the dielectric permittivity, near field radiative heat transfer between two dielectric materials follows a 1/d2 law when d is of the order or less than few hundreds of nanometers. This nonphysical diverging increase has been the bottleneck of the local model. Overwhelming efforts have been deployed in order to come up with a new model in which the nonlocal effects of the dielectric permittivity are taken into account. To the best of our knowledge, no nonlocal correction to the near field radiative heat transfer has been addressed in the past in the case of dielectrics. In the case of metals however, an important and complete work has been performed using the Lindhard−Mermin nonlocal dielectric permittivity model.Our work focuses on studying four different nonlocal models of the dielectric permittivity and on using them in the calculation of the radiative heat transfer coefficient between two solid semi-infinite parallel planes of 6H-SiC. For the case of doped semiconductors, we studied the Lindhard−Mermin nonlocal model of the dielectric permittivity to calculate the radiative heat transfer coefficient between two n-doped Si planes. We show that the radiative heat transfer coefficient saturates as the separation distance d tend to zero. The distance at which saturation starts to take place depends on key parameters involved in each model.
Dans ce mémoire de thèse, nous étudions la validité de quelques modèles non locaux de la permittivité diélectrique dans le calcul du coefficient de transfert de chaleur par rayonnement entre deux matériaux diélectriques, semi−infinies, plans et parallèles, et séparés par un espace vide de largeur d.Dans les études théoriques antérieures, il a été montré que lorsque l'on considère un modèle local de la permittivité diélectrique, le transfert de chaleur par rayonnement en champ proche suit une loi 1/d² quand d devient de l'ordre ou inférieure à quelques centaines de nanomètres. Cette divergence non physique constitue la faille majeure du modèle local. Plusieurs efforts ont été fournis afin de développer un nouveau modèle de la permittivité diélectrique qui tient compte des effets nonlocaux. Aucune correction non locale pour le transfert de chaleur par rayonnement en champ proche n’a été abordée dans le passé dans le cas des diélectriques. Cependant dans le cas des métaux, un travail complet a été effectué en utilisant le modèle non local de Lindhard−Mermin de la permittivité diélectrique.Nos travaux portent sur l'étude de quatre modèles différents de la permittivité diélectrique nonlocale. Nous exploitons ces modèles pour le calcul du coefficient de transfert de chaleur par rayonnement entre deux plans de 6H-SiC. Pour le cas des semi−conducteurs dopés, nous avons étudié le modèle non local de Lindhard−Mermin pour calculer le coefficient de transfert de chaleur par rayonnement entre deux plans de Si n−dopée. Nous montrons que le coefficient de transfert de chaleur par rayonnement sature quand d tend vers zéro. La distance du début de saturation dépend grandement des paramètres clés de chaque modèle.