Caractérisation d’un plasma radiofréquence d’argon avec injection pulsée de gaz en vue d’une application au dépôt de couches minces nanocomposites

Abstract

Les matériaux (nano)composites font partie intégrante de l’industrie de l’aéronautique et de l’espace depuis plus de 50 ans. De nos jours, le concept de matériaux multifonctionnels combinant diverses propriétés pour réaliser des objectifs de performance multiples en un seul et unique système est devenu une exigence pour le développement de surfaces innovantes, et ce, pour une vaste gamme d’applications technologiques. Cependant, pour plusieurs applications, un des principaux verrous est l’obtention de revêtements formés de nanoparticules isolées (non-agrégées) et de petite taille (<10 nm) dispersées de manière contrôlée dans une matrice. Dans ce contexte, une nouvelle méthode de synthèse souple, verte, sécuritaire et industrialisable a récemment été proposée. Celle-ci repose sur un réacteur-injecteur de nanoparticules et permet de synthétiser des nanoparticules à partir de précurseurs organométalliques liquides juste avant de les injecter dans un réacteur de dépôt par plasma en limitant les phénomènes d’agglomération associés à la vaporisation de gouttelettes et en évitant les problèmes de toxicité éventuelle en lien avec la manipulation de nanoparticules avant le dépôt. Cependant, contrairement aux procédés de dépôt par plasma habituels qui s’effectuent la plupart du temps à pression constante, la conception du réacteur-injecteur de nanoparticules implique inévitablement une dynamique temporelle complexe associée à des variations assez brutales de la pression dans le réacteur à plasma. À l’évidence, ces variations temporelles de pressions vont se répercuter sur l’évolution temporelle des propriétés fondamentales du plasma telles que la densité et la température des électrons. Dans ce travail de maîtrise, nous avons eu recours à la spectroscopie optique d’émission couplée aux prédictions de modèles collisionnels-radiatifs pour déterminer des conditions opératoires du réacteur-injecteur dans un plasma rf d’argon minimisant ces variations d’une part, et permettant de mieux comprendre leurs implications sur la température des électrons, d’autre part. Ces travaux serviront ainsi d’effet levier à des études plus complexes en présence de précurseurs et de nanoparticules.

(Nano) Composite materials have been an integral part of the aeronautics and space industry for more than 50 years. Nowadays, the concept of multifunctional materials combining various properties to achieve multiple performance objectives in a single system has become a prerogative in the development of innovative surfaces for a wide range of technological applications. However, for several applications, one of the main challenges is the production of coatings formed of isolated (non-aggregated) and small (<10 nm) nanoparticles dispersed in a controlled manner in a matrix. In this context, a new flexible, green, safe and scalable method of synthesis has recently been proposed. It is based on a reactor-injector of nanoparticles and can synthesize nanoparticles from liquid organometallic precursors just before injecting them into a plasma deposition reactor by limiting the agglomeration phenomena associated with the vaporization of droplets and by avoiding problems of possible toxicity related to the manipulation of nanoparticles before the deposit. However, unlike conventional plasma deposition processes, which are usually carried out at constant pressure, the design of the reactor-injector of nanoparticles inevitably involves a complex temporal dynamic associated with rather sudden changes in the pressure in the plasma reactor. Obviously, these temporal variations of pressures will affect the temporal evolution of the fundamental properties of the plasma such as the density and the temperature of the electrons. In this master work, we used optical emission spectroscopy coupled with the predictions of collisional-radiative models to determine operating conditions of the reactor-injector in an argon rf plasma minimizing these variations on the one hand, and to better understand their implications on the electron temperature, on the other hand. This work can thus be expected to serve as building blocks for more complex studies in the presence of precursors and nanoparticles.