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RÉSUMÉ
Les transferts de chaleur sont soumis à de nombreuses lois fondamentales connues et reconnues depuis bien longtemps. Grâce à l’étude des phénomènes à l’échelle du nanomètre, de nouveaux comportements ont été décelés et sont proposés. Tout d'abord, les lois permettant habituellement la description des échelles caractéristiques que sont la conduction, la convection et le rayonnement sont reprises. Les phénomènes mis en évidence lors de la modélisation des transferts de chaleur à l’échelle nanométrique sont ensuite proposés. Quelques applications, telles que la lithographie assistée thermiquement ou encore le stockage d’informations, viennent illustrer ces propos.
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INTRODUCTION
Les lois fondamentales qui régissent les transferts de chaleur enseignées aux ingénieurs sont connues depuis le dix-neuvième siècle. Depuis quelques années, la capacité à mesurer les phénomènes à l'échelle submicronique a mis en évidence de nouveaux comportements qui ne suivent pas ces lois. Dans ce dossier nous présentons les limites des lois habituellement utilisées pour décrire la conduction, la convection et le rayonnement, nous décrivons les phénomènes observés aux échelles nanométriques et nous présentons certaines des applications.
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Imagerie thermique en champ proche
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2. Échelles caractéristiques
2.1 Conduction thermique
Sur la conduction thermique :
Thermique à l'échelle submicronique. Conduction thermique aux nanoéchelles [BE 8 291] de S. Volz et P. Chantrenne
Le modèle classique de la conduction thermique s'appuie sur l'hypothèse de l'équilibre thermodynamique local. Dans cette hypothèse, une température peut être définie pour un élément de volume. Rappelons que pour un gaz, la température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des molécules. De façon plus générale, dans tout matériau où se produit de la conduction thermique, on peut identifier des porteurs de chaleur (molécules, électrons, phonons). La définition d'une température moyenne requiert cependant un nombre suffisant d'interactions entre porteurs de chaleur. Pour un gaz, il faut que les molécules puissent échanger de l'énergie entre elles par collision. Pour un solide cristallin, ce sont les phonons et les électrons qui échangent de l'énergie par collisions. Ces porteurs doivent en avoir le temps et la place. Le temps moyen entre deux collisions τ et le libre parcours moyen Λ (qui est la distance moyenne parcourue entre deux collisions) donnent des échelles de temps et de longueur en deçà desquelles la loi de Fourier n'est plus valable. Si donc la dimension caractéristique L du système devient inférieure au libre parcours moyen Λ et les durées de même inférieures au temps τ, les interactions se raréfient et un nouveau régime de transport apparaît. Les deux régimes extrêmes sont représentés sur la figure 1. Pour les caractériser, on introduit le nombre de Knudsen qui est le rapport :
avec :
- L :
- une taille caractéristique du système.
Le...
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Échelles caractéristiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CHEN (G.) - Nanoscale energy transport and conversion. - Pappalardo series in Mechanical Engineering, Oxford Press, New York (2005).
-
(2) - Microscale and Nanoscale Heat Transfer. - Groupement de Recherche Micro et Nanothermique eds., Topics in Applied Physics, Springer (2006).
-
(3) - JOULAIN (K.), MULET (J.P.), MARQUIER (F.), CARMINATI (R.), GREFFET (J.J.) - Surface electromagnetic waves thermally excited : radiative heat transfer, coherence properties and Casimir forces revisited in the near field. - Surf. Sci. Rep. 57, p. 59-112 (2005).
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(4) - KARNIK (R.), CASTELLINO (K.), MAJUMDAR (A.) - Field-Effect Control of Protein Transport in Nanofluidic Transistor. - Appl. Phys. Lett. 88, 123114 (2006).
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(5) - OKKELS (F.), TABELING (P.) - Spatiotemporal Resonances in Mixing of Open Viscous Fluids. - Phys. Rev. Lett. 92 (3), 038301 (2004).
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(6) - LEFÈVRE (S.), VOLZ (S.),...
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