Emission tHErmique de MétamatEriaux Réfractaires à haute tempErature – HEMERE

L’émission thermique est un des mécanismes principaux de transfert de chaleur, qui va permettre à un objet chaud de se refroidir. Le rayonnement émis a un spectre décrit par la loi de Planck, et se fait essentiellement dans l’infrarouge. Ce rayonnement peut être détecté dès lors qu’il se fait dans les bandes de transparence de l’atmosphère (3-5 µm et 8-12 µm), ce qui est une des motivations originelles du développement de la détection infrarouge dans un cadre défense. Par ailleurs, la loi de Stefan-Boltzmann stipule que l’évolution de l’exitance se fait à la puissance 4 de la température. Dans un contexte défense, cela signifie que des objets chauds (réacteurs, missile) vont avoir une émission très importante qui les rendra détectables par des systèmes optroniques à une grande distance.
Pour des applications civiles, impliquant une émission de lumière, comme le thermophotovoltaïque, il est indispensable de travailler à haute température pour obtenir des rendements raisonnables.
Le domaine des métamatériaux optiques a connu un essor considérable depuis une quinzaine d’années, et il a été démontré qu’il était possible de les utiliser pour modifier à loisir l’émissivité d’une surface. Cependant, les matériaux classiquement utilisés en nanophotonique ont des températures de fusion qui se situent en général dans la gamme [1000-1500 K] et la température maximum est fortement limitée par les interdiffusions entre les matériaux.
Dans ce contexte encore en recherche de solutions performantes, le projet Héméré propose de développer des métamatériaux à base de matériaux céramiques ultraréfractaires fonctionnant à haute température, pour contrôler la signature infrarouge d’objets chauds. Le projet va combiner les compétences et connaissances de la nanophotonique et des matériaux céramiques réfractaires. La nanophotonique permet de modifier l'émissivité d'une surface en utilisant des nano-antennes optiques mais elle a été démontrée à des températures peu élevées (~1000K). Les céramiques ultraréfractaires ont des températures de fusion plus élevées, mais il y a plusieurs verrous techniques à lever pour associer ces deux disciplines scientifiques. D’abord, il faut accroître la connaissance du comportement électromagnétique des matériaux céramiques ultraréfractaires en fonction de la température. Ensuite, il faut repenser la conception électromagnétique des métamatériaux en intégrant ces nouveaux matériaux. Enfin, la capacité à structurer les céramiques pour fabriquer des nanostructures optiquement résonantes est un dernier verrou.
Dans ce projet, nous visons deux catégories d’objectifs autour de deux familles de matériaux (ZrC et ZrO2 dopé à l’yttrium) :

A – Connaissance des matériaux céramiques

Ces objectifs sont d’ordre méthodologiques et visent au développement :
i) De cibles et de substrats de matériaux réfractaires avec des propriétés contrôlées
ii) De couches minces de matériaux céramiques
iii) De techniques de nanostructurations de ces matériaux
iv) De modèles thermo-optiques

B – Métamatériaux céramiques haute température
Nous visons de développer 3 familles d’émetteurs basées sur des résonances optiques :
i) Cavité optique lambda/4
ii) Nano Fabry-Pérot couplés
iii) Métamatériau multi-MIM

Les critères de réussite du projet HEMERE sont :
1. Procédés de dépôts de couches minces
2. Modèles optiques infrarouge en fonction de la température de matériaux céramiques
3. Procédés de nano-structurations de matériaux céramiques.
4. Conception de nanoantennes usuelles intégrant les matériaux céramiques
5. Démonstration expérimentale à haute température d’un dispositif émetteur IR spectral fin (T>1000 K).
6. Démonstration expérimentale à haute température d’un dispositif émetteur spectral large (T>1000 K).
Le développement de ces métamatériaux ouvre des perspectives importantes vers des applications allant de la furtivité, au développement de sources infrarouges ou le thermophotovoltaïque.