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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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6. Modélisation des transferts de chaleur à l'échelle du nanomètre
6.1 Dynamique moléculaire
La méthode de la dynamique moléculaire consiste à calculer la trajectoire de tous les atomes d'un système, en les assimilant à des masses ponctuelles soumises à des forces qui dérivent de potentiels effectifs d'interaction entre atomes. Leurs trajectoires sont régies par le principe fondamental de la dynamique (le produit de la masse par l'accélération est égal à la force appliquée). Pour résoudre cette équation, on se donne les positions et les vitesses initiales de tous les atomes du système et on procède à une intégration numérique. Les forces et les positions initiales dépendent du matériau. En revanche, les vitesses initiales sont choisies arbitrairement en respectant la contrainte concernant l'énergie totale du système.
En connaissant l'évolution des positions, des vitesses et des forces d'interaction au cours du temps, il est possible de déterminer de nombreuses propriétés du matériau. On peut ainsi remonter aux relations de dispersion des phonons et au flux de chaleur .
HAUT DE PAGE6.2 Équation de Boltzmann
Le transfert d'énergie peut être compris comme le déplacement de porteurs élémentaires : les photons pour le rayonnement, les molécules dans les gaz, les électrons et les phonons (énergie élastique) dans les solides. Les échanges de chaleur aux nanoéchelles peuvent être décrits par les trajectoires des paquets de ces porteurs. L'équation de Boltzmann permet de calculer ces trajectoires. Elle constitue une solution générique à la plupart des problèmes de nanothermique excepté à ceux du rayonnement de champ proche, puisqu'elle ne prend pas en compte les phénomènes ondulatoires. Elle a été utilisée très intensivement pour décrire les phénomènes de conduction dans les nanostructures et dans les gaz ...
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Modélisation des transferts de chaleur à l'échelle du nanomètre
BIBLIOGRAPHIE
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(2) - Microscale and Nanoscale Heat Transfer. - Groupement de Recherche Micro et Nanothermique eds., Topics in Applied Physics, Springer (2006).
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(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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