Étude de la dynamique de croissance de revêtements nanostructurés multifonctionnels sur le bois par plasmas froids à la pression atmosphérique

Abstract

L’objectif de cette thèse est de réaliser une étude fondamentale de pointe des plasmas destinés au dépôt de revêtements nanostructurés fonctionnels sur le bois. Un accent particulier est porté sur les décharges à barrière diélectrique (DBD) à la pression atmosphérique qui ne nécessitent aucun système à vide coûteux et qui s’allient donc plus facilement avec une approche industrielle de production à la chaine. Tout au long de nos recherches, nous avons réalisé que les dépôts sur substrats de bois présentent beaucoup plus de défis scientifiques et technologiques que les procédés sur substrats conventionnels. Ceci s’explique notamment par la micro et nanostructure tout à fait unique de ce matériau qui modifie non seulement les propriétés physico-chimiques du plasma mais aussi la dynamique de croissance des couches minces.

Dans ce contexte, à partir de mesures électriques et spectroscopiques couplées aux prédictions d’un modèle collisionnel-radiatif, nous avons d’abord pu étudier l’influence de la présence de substrats de bois sur la physique des DBD. Dans le cas du plasma d’hélium, nous avons notamment mesuré les effets du dégazage du substrat sur l’évolution de la température des électrons et de la densité des atomes dans un niveau métastable. Nous avons aussi démontré que la décharge pouvait se « localiser » sur certaines régions du substrat, un effet attribué à des variations spatiales de densité d’atomes dans le substrat qui influencent directement la tension appliquée localement au gaz, et par conséquent, les valeurs locales du courant de décharge. Par la suite, nous avons étudié l’ajout d’un précurseur organosilicié dans le plasma pour le dépôt chimique en phase vapeur. Nous avons noté que la surface devient hautement hydrophobe avec des angles de contacts supérieurs à 130° dû au dépôt de fragments organosiliciés. De plus, ces revêtements présentent une excellente stabilité dimensionnelle, un résultat fort prometteur pour les applications. En présence d’effets de dégazage, nous avons toutefois noté que les revêtements présentaient une couche interfaciale de SiOx, ouvrant ainsi la voie au dépôt de revêtements multifonctionnels : des propriétés barrières données par la couche de SiOx et des propriétés hydrophobes fournies par la couche SiOCH. Finalement, nous avons tenté d’intégrer ce savoir et savoir-faire dans le domaine des plasmas froids à la pression atmosphérique pour développer des revêtements en configuration de jet de plasma plutôt que par exposition directe au plasma.

The objective of this thesis is to achieve advanced fundamental study of plasmas aimed at the deposition of functional nanostructured coatings on wood. A particular emphasis is placed on dielectric barrier discharges (DBD) at atmospheric pressure that do not require expensive vacuum systems and therefore are more easily combined with an industrial approach of production chain. Throughout our research, we realized that the deposits on wood substrates present much more scientific and technological challenges than processes on conventional substrates. This can be explained by the micro and nanostructure, quite unique to this material that not only changes the physical and chemical properties of the plasma but also the thin films growth dynamics. In this context, from electrical and spectroscopic measurements, coupled with predictions of a collisional-radiative model, we first studied the influence of the presence of wood substrates on the physics of DBD. In the case of the helium plasma, we measured the outgassing effects of the substrate on the evolution of the electron temperature and the number density of atoms in a metastable level. We further demonstrated that the discharge could "localize" on some regions of the substrate, an effect attributed to spatial variations in the atom density of the substrate which directly influence the voltage applied locally to the gas, and consequently, the local values of the discharge current. Subsequently, we studied the addition of an organosilicon precursor in the plasma for plasma-enhanced chemical vapor deposition. We noted that the surface becomes highly hydrophobic with contact angles greater than 130° due to the deposition of organosilicon fragments. In addition, these coatings exhibit excellent dimensional stability, a result very promising for applications. In the presence of outgassing effects, however, we noted that the coatings exhibited an interfacial SiOx layer, paving the way for multifunctional coatings: barrier properties of the SiOx layer and hydrophobic properties provided by the topmost SiOCH layer. Finally, we attempted to integrate this knowledge and expertise in the field of cold plasma at atmospheric pressure to develop plasma jet configuration coatings rather than by direct exposure to the plasma