Projet de recherche P6/08 (Action de recherche P6)
Domaine:
La physico-chimie des plasmas – le quatrième état de la matière- est un domaine en pleine expansion nous proposant des défis tant fondamentaux qu’industriels. En effet, les espèces hautement réactives générées dans les plasmas sont souvent utilisées pour des traitements de surfaces et la synthèse de matériaux. Bien qu’ayant généré de nombreuses applications industrielles, la compréhension des mécanismes fondamentaux prenant place au cœur des plasmas ainsi qu’aux interfaces demeure largement perfectible. Notons que les plasmas ne sont pas l’apanage des procédés de traitement de surface, ainsi les phénomènes physiques et chimiques observés dans les plasmas thermiques, de fusion et astrophysiques sont également intensivement étudiés. C’est le rôle des groupes de recherche universitaires d’explorer, de comprendre et de contrôler ces mécanismes.
Objectifs :
Le projet proposé a pour but de fédérer la plupart des groupes belges impliqués dans des activités de recherche sur les plasmas réactifs afin d’améliorer la compréhension fondamentale de ces systèmes. Les résultats issus de ce projet, qui combine des activités expérimentales et de modélisation, devraient mener à des développements technologiques dans les domaines des nouveaux matériaux, des nouvelles surfaces et des nouveaux procédés de recouvrement et devraient de ce fait soutenir le développement économique du pays.
Nous voulons développer une approche multidisciplinaire et intégrée, en fusionnant des unités de recherche spécialisées en diagnostiques in-situ des plasmas (méthodes optiques, sondes électriques et spectrométrie de masse) (Hecq, Delplancke, Reniers, Schneider), dans les études fondamentales de la phase gazeuse ionisée et de sa magnéto-hydrodynamique (Degrez, Carati, Van Oost), en caractérisations électriques et ingénierie des plasmas (Leys, Van Oost) et en modélisation des plasmas (van der Mulen). D’autre part, d’autres groupes de recherche se concentreront sur l’interaction plasma-surface (Reniers, Segers, Delplancke, Lucas, Houssiau, Hecq, Leys, Pireaux, Van Oost), en collaboration étroite avec les groupes mentionnés ci-dessus se focalisant sur le plasma lui-même. Une étude fondamentale de l’interaction entre les différentes espèces formées dans les plasmas (ions, neutres, électrons, UV…) avec des surfaces modèles sera entreprise.
Méthodologie :
Suivant notre analyse, sept sujets fondamentaux doivent être étudiés pour obtenir une meilleure compréhension des plasmas et des interactions plasma-surface. Ces sujets sont les suivants : les sources d’excitation, la physique des plasmas partiellement et totalement ionisés, les radiations émises par le plasma, le confinement, les changements de phases, les conditions aux limites à la surface et la caractérisation des surfaces et interfaces modifiées par les plasmas (structure et composition). Ces sept domaines sont intimement reliés. Chaque étape implique des caractérisations expérimentales et des simulations numériques pour obtenir une image complète des phénomènes ayant lieu dans le plasma ainsi qu’aux surfaces et interfaces.
Par exemple, différentes sources d’énergie sont disponibles pour générer un plasma à l’échelle du laboratoire : MW, DC, AC, RF (couplée capacitivement ou inductivement), HF, Arc. Le couplage de ces sources avec la phase gazeuse va influencer la composition des plasmas en termes de concentration et nature des ions, des électrons, des neutres excités et des photons. La formation et la disparition des espèces du plasma ainsi que les recombinaisons, l’ionisation par impact, les échanges ion-atome et les échanges de charges sont responsables de la formation de gradients de densité et de température au sein du plasma. La composition du plasma doit également être caractérisée avec grand soin en termes d’espèces et d’énergie pour nous permettre de comprendre la germination en phase gazeuse ou les interactions avec une surface (substrats ou parois de l’enceinte). Ces interactions avec les substrats et les parois modifient la composition et les interactions entre espèces dans le plasma. Elles mènent aussi à la fonctionnalisation, au dépôt (germination et croissance), à l’érosion et à l’implantation dans le substrat. Une caractérisation poussée (structure et composition) des surfaces ainsi modifiées doit être entreprise pour comprendre l’impact des espèces et de l’énergie.
Nous débuterons par l’étude de systèmes modèles (phases gazeuses contenant un nombre limité de réactifs, par exemple oxygène et/ou azote et donnant un nombre limité de produits) présentant une géométrie de faible complexité pour lesquels il est possible de caractériser expérimentalement un maximum de paramètres clés et qui, d’autre part, sont relativement faciles à simuler numériquement. Quelques substrats seront sélectionnés en tant qu’exemples représentatifs de matériaux communs (i.e. un polymère, un métal et un semi-conducteur). Les expériences permettront d’ajuster les modèles alors que la simulation numérique permettra d’améliorer les dispositifs expérimentaux.
Progressivement, les systèmes deviendront plus complexes pour s’approcher des plasmas rencontrés en traitements de surfaces et dans le domaine de l’astrophysique.
