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Soutenance de thèse de Charles RIGOUDY

par Isabelle Clarysse - publié le

Charles RIGOUDY soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés :

"Couches minces diélectriques avec des inclusions de nanoparticules d’argent réalisées par voie plasma conçues pour le contrôle du gradient de charges électriques sous irradiation électronique pour des applications spatiales" ;

La soutenance se déroulera mercredi 18 décembre à 14h, site UPS, 118, route de Narbonne, en salle des Colloques.

Jury :
Mme. Ana LACOSTE, Professeur à l’Université Grenoble-Alpes, Rapporteure
M. Jérôme CASTELLON, Maître de Conférences à l’Université Montpellier 2, Rapporteur
M. Gilbert TEYSSEDRE, Directeur de Recherche au CNRS, LAPLACE, Examinateur
M. Jean-Charles MATEO-VELEZ, Chercheur à l’ONERA, Examinateur
M. Johannes BERNDT, Chargé de Recherche à l’Université d’Orléans, Examinateur
M. Mohamed BELHAJ, Maître de recherche à l’ONERA, Encadrant ONERA
M. Laurent BOUDOU, Maître de Conférences à l’Université Toulouse 3, Directeur de thèse
Mme. Kremena MAKASHEVA, Directrice de Recherche au CNRS, LAPLACE, Directrice de thèse

Résumé :
Le phénomène d’émission électronique est étudié dans de nombreux domaines fondamentaux de la physique et pose le principe de fonctionnement d’un grand nombre de dispositifs tels que les écrans à émission de champ, les propulseurs Hall, etc. Il est mieux compris pour les métaux. Cependant pour les matériaux isolants, il constitue un phénomène critique limitant la fiabilité des composants dans les applications spatiales où les phénomènes de décharge et de claquage sont entièrement contrôlés par l’émission électronique. Selon l’énergie des électrons incidents et les propriétés des diélectriques, les électrons peuvent être piégés au sein du matériau, et/ou être à l’origine de phénomènes d’émission électronique. Ce travail de thèse se situe à l’interface de trois domaines de recherche : le dépôt par plasma de couches minces nanocomposites, le piégeage et le transport de charges électriques dans les diélectriques, et la caractérisation des matériaux sous irradiation en milieu spatial. Il explore l’effet des nanoparticules d’argent (AgNPs) enterrées dans les couches minces de silice, sur les mécanismes physiques (injection, piégeage, transport de charges et émission électronique secondaire) responsables du chargement diélectrique et des émissions d’électrons, afin de moduler ces phénomènes.
Des couches minces nanostructurées de silice contenant un plan d’AgNPs ont été élaborées par procédé plasma combinant dans un même réacteur la pulvérisation d’une cible métallique et le dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma (PECVD). La caractérisation structurale des échantillons a permis de déterminer la composition chimique de la matrice de silice plasma, la taille, la forme, la densité et la distribution des AgNPs ainsi que l’épaisseur totale de la structure. Ces analyses ont permis de corréler les paramètres structurels avec la réponse des couches diélectriques nanostructurées réalisées sous contrainte électrique et irradiation électronique.
Il a été constaté que pour des électrons primaires de faible énergie (< 2keV), le taux total d’émission d’électrons (TEEY) des couches minces de silice sans AgNPs présente une forme atypique avec un minimum local situé à environ 1 keV. Afin de mieux comprendre ce comportement, un modèle de TEEY a été développé. Il est basé sur le modèle de Dionne, et adapté aux diélectriques. Il considère le champ électrique interne résultant de l’accumulation de charges électriques dans la couche diélectrique. Ce dernier limite la profondeur d’extraction des électrons secondaires et entraine une baisse du TEEY. L’irradiation d’un matériau diélectrique fait intervenir le mécanisme de conductivité induite par irradiation (RIC), également prise en compte dans le modèle. La création des paires électron-trou dans le matériau contribue à l’augmentation de la conductivité du matériau (RIC) et est à l’origine de l’augmentation du TEEY après le minimum local.
Le caractère diélectrique des couches minces nanocomposites a également été étudié dans ce travail. L’ajout d’AgNPs augmente légèrement la permittivité relative comparée à celle de la silice seule. L’étude des courants de polarisation sous forts champs électriques, montre une augmentation de la densité du courant en fonction de la profondeur du plan AgNPs.
Ce travail est la première démonstration de la capacité des structures nanocomposites contenant des AgNPs à réduire les gradients de charge des matériaux sous irradiation électronique. L’ajout d’AgNPs dans la matrice de silice plasma permet de moduler efficacement le TEEY, en fonction du diamètre des AgNPs ainsi que de leur distance à la surface. Pour révéler les phénomènes physiques induits par les AgNPs le modèle TEEY a été adapté. Le stockage de charge dans les AgNPs est le mécanisme conduisant à une diminution de l’amplitude du TEEY à une valeur typique pour les métaux, tout en préservant le minimum TEEY induit par l’accumulation de charge dans la couche diélectrique.

Abstract :
Electron emission phenomenon is intensively studied in many fundamental areas in physics and lays down the principle of operation of a large number of devices such as field emission display devices, Hall thrusters, etc. It is better described for metals. However, when originating from insulating materials it becomes a critical phenomenon involved in reliability issues of components in space applications where surface flashover phenomena and vacuum breakdown are entirely controlled by the electron emission from solids. Depending on the energy of impinging electrons and the dielectric properties, the electrons can be trapped within the dielectric bulk, and/or be responsible of electron emission phenomena. This PhD work, carried out at the interface of three research domains : plasma deposition of thin nanocomposite layers, dielectric charging and charge transport in thin dielectrics, and characterization of materials under irradiation in space environment, aims to explore the effect of metal inclusions (silver nanoparticles, AgNPs), embedded in thin dielectric silica layers, on the physical mechanisms (charge injection, trapping, transport and secondary electron emission from the surface) responsible of the dielectric charging and electron emission from dielectrics, in order to modulate them.
Nanostructured thin dielectric silica layers containing a single plan of AgNPs have been elaborated by plasma process successfully combining in the same reactor sputtering of a metallic target and plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Structural characterization of the resulting samples has been performed to determine the chemical composition of the plasma silica matrix as well as to obtain the AgNPs size, shape, density and distribution and the total thickness of the structure. These analyses allowed correlation of the structural parameters with the response of the obtained nanostructured dielectric layers under electrical stress and electronic irradiation.
It was found that for low energy of the incident electrons (< 2keV) the total electron emission yield (TEEY) from thin silica layers without AgNPs presents an atypical shape with local minimum situated at around 1keV. To get closer to the description of this behavior a model for the TEEY was developed. It is based on Dionne’s model, but adapted to dielectrics. It considers the internal electric field resulting from dielectric charging phenomenon. The later limits the secondary electron extraction depth leading to a decrease of the TEEY. The radiation of dielectric materials implies the mechanisms of radiation-induced conductivity (RIC), also considered in the model. The electron-hole creation in the dielectric induces an increase of the layer conductivity (RIC) leading to an increase of the TEEY after the local minimum.
The dielectric response of the nanocomposite thin films was also studied in this work. The AgNPs-based nanocomposites have slightly higher relative permittivity than the plasma silica alone. The study of polarization currents, under strong electric fields, shows an increase of the current density as a function of the depth of the AgNPs plane.
This work is the first demonstration of the capability of AgNPs-based nanocomposite to reduce the charge gradients of materials under irradiation through secondary electron emission. The addition of AgNPs in the plasma silica matrix allows the TEEY to be effectively modulated, depending on the diameter of the AgNPs as well as on the distance of the AgNPs to the surface. To reveal the physical phenomena induced by the AgNPs the TEEY model was adapted to consider the AgNPs. Charge trapping on the AgNPs is the mechanisms leading to a decrease of the TEEY to a value typical for metals, however preserving the TEEY minimum induced by the charge accumulation in the dielectric layer.