Emetteur Infrarouge directionnel – IDEE

Pour de nombreuses applications telles que le chauffage radiatif, le séchage ou encore la production d’énergie thermophotovoltaïque, il est nécessaire de disposer de sources de rayonnement InfraRouge (IR). Dans ce projet, l’objectif visé est la détection spectroscopique de l’absorption à 4.25µm par le CO2, pour des applications de domotique en collaboration avec la société Delta Dore. La plupart des applications citées ont besoin de sources quasimonochromatiques. Alors que les diodes électroluminescentes s’imposent dans le domaine de l’éclairage du fait de leur excellent rendement énergétique, leur rendement est au mieux de l’ordre de 10-4 dans l’infrarouge pour des raisons de physique fondamentale. La relaxation radiative d’un électron excité est beaucoup plus lente que la relaxation par émission de phonons. Cela explique que les sources IR disponibles soient encore des sources incandescentes. Il en résulte que la luminance est limitée par la luminance de corps noir à la température de la source, que le rendement énergétique est très inférieur à celui des diodes visibles, et que les sources sont incohérentes temporellement et spatialement, c’est-à-dire à spectre large et quasi isotropes. Ces propriétés ont longtemps été considérées comme intrinsèques à l’émission thermique de sorte que la seule voie de progrès semblait être de trouver un matériau ayant une émissivité voisine de 1 autour des longueurs d’onde souhaitées.

Il a été montré récemment qu’il n’en est rien et qu’une source IR peut être directionnelle (cohérente spatialement) [Greffet2002] et avoir un spectre d’émission étroit (cohérence temporelle) [Shchegrov2000]. Ce changement de paradigme ouvre la porte à des sources IR incandescentes n’émettant qu’à la fréquence désirée et dans la direction souhaitée. De plus, on a appris à réaliser des absorbeurs parfaits extrêmement minces à l’aide de résonateurs. Il est donc possible de ne chauffer qu’un très faible volume de matière et néanmoins émettre autant qu’un corps noir. Ce constat permet d’envisager des sources ayant des pertes par convection et par conduction très réduites et par conséquent d’améliorer significativement le rendement énergétique. En résumé, en tirant parti des avancées de la nanophotonique pour le contrôle de l’émission spontanée, il apparaît possible de concevoir et fabriquer des sources IR incandescentes n’émettant que dans les directions et fréquences souhaitées et étant suffisamment minces pour autoriser une meilleure isolation thermique. Ceci permet d’envisager un fonctionnement à haute température pour une puissance fournie réduite.

L’objectif du projet est double :

1) Concevoir, fabriquer et caractériser des microsources infrarouges directionnelles, de spectre contrôlé en technologie silicium dont la consommation a été diminuée d’un facteur 10 par rapport à l’état de l’art.
2) Intégrer cette microsource dans un capteur à gaz réalisé par la société Delta Dore pour des applications de détection de CO2.

Le point de départ du projet est l’existence d’une microsource à membrane réalisé par le CEA (maîtrise des matériaux à 650 °C en technologie CMOS) et le savoir faire de Delta Dore en matière de capteurs. Pendant les 18 premiers mois, Delta Dore commencera le développemet du capteur tandis que CEA travaillera à l’isolation thermique de la source existante. En parallèle, INL et LCF travailleront au développement de sources innovantes directionnelles. Après un an, CEA fournira une première source à Delta Dore. Au bout de 18 mois, une solution technique innovante à base de cristaux photoniques ou de réseaux plasmoniques sera choisie. Dans la deuxième moitié du projet, la solution retenue sera intégrée au procédé de fabrication du CEA puis fournie à Delta Dore.