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Thème Plasma et Poudres

par Agnès GP - publié le


La formation d’une couche mince nanocomposite par procédé plasma met en jeu divers mécanismes : le dépôt et l’organisation de la matrice et, d’autre part, les mécanismes de croissance de poudres dans la phase plasma.

Deux processus de croissance ont été plus particulièrement abordés :

- La croissance de poudres par réactions entre espèces formées dans la décharge (réactions homogènes et hétérogènes). Dans ces processus, il est nécessaire de confiner des espèces dans la décharge (généralement des ions négatifs).

Dans nos activités, on peut citer 3 méthodes de confinement :

  • électrique (en plasma RF basse pression SiH4/N2O, on obtient des amas de taille nanométrique ou micrométrique de Si selon les paramètres du procédé)

Plasma poudreux en HMDSO/Ar dans un réacteur RF « Diode asymétrique » Mise en évidence de la diffusion du faisceau laser par le nuage de poudres.
  • magnétique (en plasma microonde RCER de C2H2, on réalise des poudres « graphitiques » de 100 nm de rayon moyen)

Les poudres formées en PMM-RCER sont localisées dans les zones de fort champ magnétique (festons) et ont une trajectoire hélicoïdale montrant ainsi l’effet du champ magnétique sur leur formation)
  • par écoulement gazeux (en DBD à la PA en mélange SiH4/N2O dilué dans N2, la modification du temps de résidence en modifiant l’écoulement et/ou en créant des re-circulations permet de moduler la densité de poudres ou leur zone de formation).

Résultats d’une simulation hydro-dynamique réalisée sous FLUENT© montrant des zones de recirculations à l’origine du piégeage de poudres dans le cas des dépôts par décharge à la PA.

- Les processus de dépôt ou de croissance sur des poudres injectées dans la décharge par un processus physique ont été étudiés pour former des poudres de structure mixte (cœur et coque de structures différentes) : pulvérisation en plasma RF dissymétrique, évaporation en plasma microonde RCER, injection directe dans un plasma en lit fluidisé. Ainsi, en fonction des procédés utilisés, différents types de poudres et donc de couches minces nanocomposites sont formées. Le contrôle de la structure, de la composition ou de la taille des poudres ainsi que l’influence des poudres sur le procédé plasma et la physico-chimie (consommations d’espèces et perturbations électriques de la décharge) sont des verrous scientifiques importants sur lesquels un effort particulier sera mené.

MicroSIMS d’un nanocomposite C-C déposé en plasma microonde-RCER. La poudre (diamètre=400nm) est composée d’un coeur métallique (Ni en jaune) et d’une coque graphitique. La matrice est carbonée (C en magenta et dimère sp2 C2H2 en cyan). L’interface diffuse (mélange des couleurs) entre la coque et le coeur suggère que la poudre est formée par des mécanismes de croissance catalytique (similaires aux nanostructures de type onion fullerène).

Références :

Thèses :

  • Maria Calafat Ramirez (2008), « Formation de poudres dans des décharges d’acétylène dans un réacteur PMM- RCER : Etudes des nanocomposites carbone-carbone et de leurs applications »

Publications principales :

  • M. Calafat-Ramirez, D. Escaich, R. Clergereaux, P. Raynaud, Yvan Segui ; Particle formation in acetylene very low-pressure high density magnetized plasmas ; Applied Physics Letters, 2007, 181502 (3pages)
  • R. Clergereaux, D. Escaich, M. Calafat, P. Raynaud ; Dépôt, érosion et formation de poudres dans des plasmas haute densité, très faible pression d’hydrocarbonés. Plasmas froids à confinement magnétique pour la compréhension du plasma de bord ; Réunion plénière du GDR Arches, Nouan le Fuzelier, 2007
  • M. Calafat-Ramirez, P. Raynaud, R. Clergereaux ; Dusts in microwave distributed electron cyclotron resonance discharge in acetylene ; CIP 2007 : 16th International Colloquium on Plasma Processes, Toulouse, France, 2007
  • M. Calafat, R. Clergereaux ; Formation de particules dans un plasma micro-onde basse pression haute densité à partir d’acétylène ; Journées scientifiques du groupe français du carbone, GFEC 2007, Caracans-Maubuisson
  • Clergereaux R., Escaich D., Calafat M., Raynaud P. ; Dépôt, erosion et formation de poudres dans des plasmas haute densité, très faible pression d’hydrocarbonés. Plasmas froids à confinement magnétique pour la compréhension du plasma de bord ; Réunion plénière, GDR ARCHES (2007)
  • M. Calafat-Ramirez, H. Kihel, R. Clergereaux ; Nanocomposites from very-low pressure dusty plasma ; 15th GEM : Gaseous Electronics Meeting, Murramarang , Australia, 2008
  • R. Clergereaux, F. Gaboriau, A. Slim, J. Stehlé, D. Zahorski, P. Raynaud ; Carbon-carbon nanocomposite formation in plasma deposition process ; JNTE 08 : French Symposium on Emerging Technologies, Toulouse, France, 2008
  • R. Clergereaux, M. Calafat-Ramirez, A. Slim, A. Erradi, S. Mouissat, S. Sahli, F. Gaboriau ; Formation de poudres dans un plasma magnétisé, haute densité, basse pression ; 3ème Colloque sur la Cinétique des Plasmas : Recherches et Applications, Le Havre , France, 2008
  • R. Clergereaux, M. Calafat, P. Raynaud, F. Gaboriau ; Carbon-carbon nanocomposite thin films based on fullerene-like powder in hydrocarbon matrix formed in ECR plasma ; ISPC, Bochum (2009)

Activités contractuelles :
Projet européen Napolyde, ANR Biopleasure

Collaborations internes :
PRHE

Collaborations académiques :
GDR Surgeco, GDR Arches, LGC, Université de Barcelone (Espagne)

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