ScIPRA – SCIENCES ET INGENIERIE DES PLASMAS REACTIFS ET DES ARCS

PRÉSENTATION

L’équipe ScIPRA étudie la physique des plasmas réactifs hors équilibre (de quelques mTorr à la pression atmosphérique) et des arcs électriques, développe et optimise des procédés mettant en œuvre ces plasmas et les applique à la formation de matériaux originaux.
L’équipe ScIPRA a la particularité de couvrir des compétences aussi complémentaires que la physique des plasmas, le génie des procédés, le génie électrique et les matériaux. L’équipe traite ainsi de sujets aussi diversifiés que la synthèse de nanomatériaux et le dépôt de couches minces, la physique des décharges ou la coupure électrique que ce soit pour des questions fondamentales ou en réponse à des besoins industriels ou sociétaux.
Les axes scientifiques concernent l’étude (1) des décharges électriques, (2) des procédés plasma et (3) des matériaux allant des nanoparticules aux couches minces nanostructurées.

THÉMATIQUES DE RECHERCHE :

- Décharges électriques.

L’étude de la physique des décharges hors ou proche de l’équilibre thermodynamique est le premier pilier des sujets que nous développons. Ces études sont menées expérimentalement (lien vers les réacteurs) en couplant un large panel de diagnostics (lien vers les équipements) à différents outils numériques (lien vers les outils numériques). Elles sont structurées en 3 catégories :
• Décharges sur une gamme de pression (0.1 Pa à la pression atmosphérique) et de fréquence d’excitation (alimentation continue aux microondes) étendues.
• Décharges dans des régimes très instationnaires (arcs électriques, décharges partielles ou en présence de pulse d’alimentation électrique ou d’injection de gaz) avec de fortes disparités de constantes de temps (fréquence de collision GHz, excitation kHz-GHz, pulses Hz)
• Décharges en déséquilibre thermodynamique, à savoir avec de très forts gradients thermiques

Les sujets visés concernent, par exemple, l’étude des régimes de fonctionnement des décharges à pression atmosphérique, des décharges partielles, des arcs de défaut ou de la coupure électrique, le développement de nouvelles méthodologies de propulsion ou l’étude de décharges dans des régimes transitoires tels que la formation d’un arc électrique ou d’un streamer, la réponse d’une décharge à une injection pulsée de gaz, etc. avec des applications en aéronautique, spatial, génie électrique ou XXX. Ils alimentent aussi nos travaux sur les procédés plasma et les matériaux.

- Procédés plasma

Les plasmas générés dans des milieux réactifs (gaz moléculaires, nanomatériaux, liquides et/ou leurs mélanges) permettent d’étudier différents mécanismes en interaction avec des parois. Par exemple, ces plasmas sont étudiés pour comprendre la formation d’arcs dans les disjoncteurs ou utilisés comme procédés de dépôts, de traitement de surfaces. Ces études passent par l’analyse de la phase gaz/plasma en termes de composition, de cinétiques ainsi que de mesures de grandeurs électriques ou physiques par la mise en œuvre de diagnostics spécifiques (lien vers les équipements) et d’outils numériques (lien vers les outils numériques)
Ces procédés répondent généralement à des besoins sociaux-économiques (traitement de surface, prévention des risques liés aux arcs électriques, safe-by-design ou respectueux de l’homme et de l’environnement) et sont développés sur des équipements de recherche ou sur des pilotes industriels (lien vers les réacteurs). Ils sont étudiés dans des domaines applicatifs variés tels que l’aéronautique, le spatial, la biotechnologie, le biomédical, l’industrie forestière, ou le dépôt et la formation de matériaux.

- Matériaux

D’autres plasmas réactifs étudiés dans le groupe conduisent à la formation de matériaux. Ceux-ci consistent en :
– des couches minces homogènes telles que de la silice ou du diamant synthétique,
– des nanoparticules tels que des nanocarbones, des nanoparticules métalliques (argent, fer) ou d’oxydes métalliques (ZnO) ainsi que des structures plus complexes telles que des particules cœur-coquille,
– des couches minces nanostructurées multifonctionnels.
Ces procédés sont étudiés par des mesures in-situ telles que des observations (imagerie rapide), des mesures spectroscopiques du plasma (OES, masse, FTIR). Elles consistent à étudier l’interaction plasma – nanoparticules, à la fois, sur le fonctionnement et le comportement de la décharge (attachement électronique, émission secondaire) mais aussi sur les matériaux obtenus (changement de phase, composition, structure, fonctionnalités). Elles sont généralement couplées à des méthodes ex-situ telles que la microscopie électronique (MEB, MET) et en champ proche (AFM), l’ellipsométrie spectroscopique, la spectroscopie IR à transformée de Fourier (FTIR) et complétées par des méthodes numériques telles que des modèles de composition, des modèles collisionnels radiatifs.
Ces matériaux sont étudiés d’un point de vue purement fondamental (formation de poussières cosmiques, synthèse en milieu hors équilibre) ou développés comme revêtements appliqués pour le domaine de la santé, de l’aéronautique, du spatial, etc.

Moyens techniques

En construction

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