Etude spectroscopique d’un plasma micro-onde à la pression atmosphérique et son application à la synthèse de nanostructures

Abstract

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone.

The purpose of this master thesis is to characterize the axial distribution of tubular discharges at atmospheric pressure sustained by electromagnetic surface wave and to explore their potential for materials and nanomaterials synthesis. A previous doctoral thesis, aimed at determining the mechanisms driving radial plasma contraction in rare gas discharges shed light on a yet unknown phenomenon occurring in surface wave discharges (SWD). As a matter of fact, increasing the power injected into the system leads to a change of the axial distribution of the discharge, in sharp contrast with the behavior commonly observed in reduced-pressure plasmas. In this context, we have performed a parametric investigation of atmospheric pressure SWD sustained in Ar gas. Based on our axially-resolved measurements of the electron density, excitation temperature, and number density of Ar atoms in metastable state (Ar 3P2), we found that the peculiar change of the axial distribution of the light intensity with power is not linked to a modification in the discharge kinetics (linked to the electron temperature and metastable number density) but rather to an anomalous power deposition (linked to the electron density). More specifically, such anomalous power deposition can be attributed to a wave reflection in the high gradient of charged particle densities near the end of the plasma column; a behavior that is more apparent in short plasma columns. Then, we have realized a parametric investigation of the discharge with the addition of organic precursors. Particularly, we used HMDSO for organo-silicon material synthesis and TTIP for organo-titanium material synthesis. It is found that because SWD are characterized by high charged particle densities (>10^13 cm^-3), higher precursor dissociation rates can be achieved with respect to other cold, atmospheric-pressure plasmas such as low-density dielectric barrier discharges. In this case, powder-like nanomaterials with sizes below 100 nm are obtained. Moreover, the addition of small amounts of oxygen into the discharge leads to the formation of round-like silicon oxide or titanium oxide nanoparticles.