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Physico-chimie des interactions plasma-surface

Projet de recherche P7/34 (Action de recherche P7)


Personnes :


Description :

Domaine :
La physico-chimie des plasmas, le quatrième état de la matière, est un domaine d’importance croissante qui mène à des défis tant fondamentaux qu’industriels. En effet, la formation d’espèces hautement réactives dans les plasmas permet des applications dans les domaines des traitements de surface, de la synthèse de matériaux, et / ou de la gestion de l’environnement et du biomédical. En dépit du fait que de nombreuses applications industrielles à large échelle ont été développées, la compréhension des mécanismes fondamentaux aussi bien au cœur des plasmas qu’à l’interface demeure largement fragmentaire. C’est le rôle d’unités universitaire d’explorer, de comprendre et de maîtriser ces mécanismes.
A l’heure actuelle, les différentes disciplines impliquées dans la recherche sur les plasmas, ont démontré que beaucoup de phénomènes fondamentaux sont communs aux différents types de plasmas. Une approche multidisciplinaire intégrée est nécessaire pour permettre une fertilisation croisée et de nouveaux développements.
Une dynamique du type de celle décrite dans le paragraphe précédente a été initiée au niveau belge durant la 6ème phase du programme PAI. Nous proposons de continuer à bâtir sur les résultats obtenus durant la 6ème phase.

Objectifs :
Ce projet à pour objectif de fédérer les groupes belges impliqués dans des activités de recherche sur les plasmas réactifs afin d’améliorer la compréhension fondamentale de ces systèmes et de développer des modèles prédictifs. Les résultats de ce projet qui combine des activités expérimentales et théoriques, devraient mener à des développements technologiques dans le domaine des nouveaux matériaux, de nouveaux procédés de traitement de surface et de dépôt et devraient de ce fait contribuer au développement économique de notre pays. Nous développons une approche multidisciplinaire et intégrée combinant les expertises d’unités de recherche spécialisées en diagnostiques plasma (optique, électrique, LiF et spectrométrie de masse), dans l’étude fondamentale de la phase gazeuse ionisée et de son hydrodynamique, dans la modélisation du cœur du plasma et de son interaction avec des surfaces (dynamique moléculaire, Monte Carlo) et dans la synthèse de matériaux (organiques et inorganiques), leur fonctionnalisation et leur caractérisation par des outils de pointes.

Durant la phase 6 du programme PAI, nous avons initié une dynamique basée sur une approche globale des plasmas. A présent, nous voulons construire sur les résultats des cinq dernières années : (1) développement des méthodes de caractérisation des plasmas (arc, HiPIMS, RF, DBD, …°, (2) construction d’outils de modélisation pour les plasmas à hautes et basses pressions, (3) développement d’un code de modélisation de Monte Carlo pour la germination et croissance de films inorganiques, (4) la synthèse de TiO2 en utilisant différentes sources d’excitation , et l’établissement d’un diagramme de phases basé sur l’énergie globale et les phases cristallines, (5) le dépôt de divers polymères (polystyrène, polyéthylèneglycal,…) et de copolymères. En accord avec les avis des experts, nous proposons de (1) consolider le réseau avec de nouveaux partenaires spécialisés dans la chimie des interactions plasma-surface, (2) l’introduction d’une activité dans le domaine de la catalyse par plasma, un domaine qui gagne rapidement de l’intérêt à l’échelle internationale et (3) sélectionner un espace de recherche qui requière la combinaison de l’expertise des différents partenaires. De cette manière, nous voulons construire une base de connaissances plus large et comprendre des systèmes plus complexes dans le cadre des interactions plasma-surface. La complexité supplémentaire apportée dans ce projet réside dans la composition (ex. oxydes mixtes), la structure (matériaux poreux) et l’impact de la phase solide sur la phase gazeuse (catalyse par plasma). De plus, une attention particulière sera apportée à la formation de jeunes scientifiques et au transfert de la connaissance via l’organisation d’une école doctorale virtuelle, de séminaires et d’événements internationaux.

Méthodologie
En fonction de l’expérience de chaque partenaire, des connaissances acquises lors de la 6ème phase du programme PAI, et de l’analyse attentive de la recherche internationale dans le domaine, nous proposons une structure de projet basée sur le type d’interactions prenant place entre le plasma et la surface solide. La distinction entre les interactions est clairement visible expérimentalement. Cependant, des outils de caractérisation similaires pour les plasmas et les surfaces seront utilisés dans les trois workpackages expérimentaux.

Workpackages I et III se focaliseront expérimentalement sur l’interaction d’un plasma avec un matériau inorganique. Dans le WPI, l’impact de la composition de la phase gazeuse et de l’énergie des particules sur la croissance de films d’oxydes sera examiné. Les oxydes métalliques ZrO2 et TiO2 seront utilisés comme standards. L’idée directrice du WPI est, sur base des acquis du projet précédent, de dissocier les différentes contributions énergétiques durant la croissance des films. Des expériences spécifiques seront conçues à cet effet. Pour contribuer à cette étude, des diagnostiques plasma seront utilisés en faisant appel à des techniques de pointe (fluorescence induite par laser, spectrométrie de masse à résolution temporelle…). Des chambres à pulvérisation magnétron et à arc mobiles seront conçues pour permettre l’accès aux dispositifs de diagnostique des différents partenaires. La combinaison de ces résultats avec les caractéristiques des films minces devrait permettre de progresser significativement vers la compréhension des paramètres clés déterminant les propriétés chimiques et cristallines des matériaux. Le WP III de son côté, permettra l’étude de l’impact de la phase solide (catalyseur) sur la composition de la phase gazeuse et la décharge elle-même. La question principale à laquelle il faudra répondre expérimentalement et par modélisation est la suivante : « comment les interactions entre le catalyseur et la décharge peuvent-elles influencer la sélectivité et la spécificité des réactions chimiques prenant place dans la phase gazeuse et modifier la dégradation de molécules (CO2, CH4).

Workpackage II est dévolu à l’étude expérimentale de l’interaction entre un plasma et des surfaces organiques. Deux sujets seront développés dans WPII en collaboration étroite avec les groupes chargés de la modélisation : la croissance de films de polymères par plasma et la fonctionnalisation de surface de polymères. La stratégie expérimentale commune est en plus des diagnostiques plasma, d’évaluer in-situ les mécanismes se déroulant à l’interface. L’identification et la quantification des radicaux se fera in situ par dérivatisation chimique tandis que un outil dédicacé (IRRAS) sera acheté par le réseau pour évaluer in situ et en temps réel la chimie de surface. Les systèmes à étudier expérimentalement sont des systèmes modèles comprenant un nombre limité de réactifs. De sorte qu’il sera possible de caractériser complètement ces systèmes et de faire le lien avec les modèles numériques.

Les workpackages IV et V sont dévolus à la modélisation des phénomènes prenant place dans le cœur du plasma et à l’interface respectivement. Ces deux WPs sont hautement inter dépendants et un effort d’intégration via le développement d’une plateforme d’échange de données entre les différents code sera mené. La modélisation du cœur du plasma sera basée principalement sur le code PLASIMO développé par TU/e, ainsi que sur certains codes disponibles à l’UA pour la modélisation de la chimie des plasmas. La formation et les pertes des espèces ainsi que la recombinaison, l’ionisation par impact les échanges ion-atome, et les échanges de charges seront pris en considération. Les aspects cinétiques seront également étudiés. Pour la modélisation des interactions plasma-surface, différentes approches seront développées : la dynamique moléculaire (MD), un modèle hybride (Md couplé à Monte Carlo) et des études chimiques quantiques (pour des systèmes plus simples). Les résultats des simulations numériques seront utilisés pour comprendre les phénomènes prenant place dans les dispositifs expérimentaux mais fourniront également des éléments pour les améliorer.

Les cinq workpackages « recherche » sont fortement interconnectés et contribueront largement la compréhension de (1) les phénomènes prenant place dans le plasma et (2) l’interaction même plasma-surface.

Le dernier workpackage (VI) est dédicacé à la formation et à la dissémination. Ce Wp est essentiel pour assurer la pérennité et l’impact à long terme du projet et comprendra des activités visant les étudiants en thèse et les post-doctorants ainsi que la dissémination internationale vers la communauté scientifique (conférences, séminaires). La mobilité des étudiants et chercheurs au sein du réseau PAI et du réseau international sera encouragée.


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