Oxyde transparent conducteur de ZnO:V à partir d'une cible de nanoparticules : De l’ablation par laser pulsé à un procédé de décharge à barrière diélectrique double fréquence à pression atmosphérique.

Magnan, Romain (2020). Oxyde transparent conducteur de ZnO:V à partir d'une cible de nanoparticules : De l’ablation par laser pulsé à un procédé de décharge à barrière diélectrique double fréquence à pression atmosphérique. Thèse. Québec / Perpignan, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique / Université de Perpignan via Domitia, 134 p.

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Résumé

La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce résumé peut être lue en PDF.Les plasmas froids sont couramment utilisés pour des procédés de traitement de surface tel que la gravure ou le dépôt de couche mince. Leur utilisation se fait majoritairement à basse pression, ce qui limite la dimension des surfaces traitées et empêche le traitement en ligne et de ce fait augmente le coût de production. Les plasmas froids à pression atmosphérique se présentent comme une alternative moins onéreuse mais ne sont, pour le moment, utilisés industriellement que pour l’activation de surface polymère. A cette pression, une décharge électrique peut conduire au régime d'arc, qui localise la décharge, entraîne une forte augmentation de la température et endommage le substrat à traiter. Pour éviter ces problèmes, une solution consiste à placer un diélectrique entre les électrodes métalliques. Ces décharges sont appelées : Décharges contrôlées par Barrière Diélectrique (DBD). Les DBD sont généralement filamentaires ce qui est un inconvénient pour l’obtention de couches minces homogènes. Des solutions ont été développées pour obtenir des décharges homogènes. Néanmoins, le temps de traitement avec des décharges homogènes est long pour des visées industrielles, ce qui est due aux faibles puissances mise en jeux. De récents travaux ont mis en avant que l’augmentation de la fréquence utilisée accroît considérablement la puissance de la décharge et de ce fait augmente la vitesse de traitement. Ces études ont conduit à de nouveaux modes de décharges et en particulier aux décharges doubles fréquences dont la physique reste à étudier afin de pouvoir les optimiser pour une application. La majorité des décharges étudiées en double fréquence porte sur des couples radio fréquence (RF) supérieure au MHz, les couples radio fréquence basse fréquence (BF) sont encore peu explorés. L’objectif de cette thèse en cotutelle entre la France et le Canada est d’étudier et de développer une méthode d’élaboration de couches minces nano-composites de ZnO:V, basée sur la mise en vol et le dépôt de nanoparticules (NPs) de ZnO :V par des DBD double fréquence. Cette méthode de dépôt vise à réduire le coût de production par l’utilisation de nanoparticules synthétisées par méthode sol-gel et de DBD dans une configuration compatible avec le dépôt de couches minces en continu à pression atmosphérique. Ce procédé s’inspire de la pulvérisation à basse pression et porte sur une DBD double fréquence avec un couple RF-BF (MHz-kHz) et la pulvérisation d’une cible de NPs. Les propriétés de la couche mince recherchées sont celles d’un Oxyde transparent conducteur (OTC). Cette thèse exploratoire relève plusieurs défis. Le premier et le plus risqué est de trouver une source plasma à la pression atmosphérique capable de générer un flux d’ion assez intense et énergétique pour mettre en vol des NPs d’une cible. En effet, la pulvérisation pas plasma est basée sur le bombardement de la cible par des ions accélérés dans la gaine qui se forme au voisinage de la cathode. A pression atmosphérique, cette gaine est collisionnelle, ce qui limite l’énergie des ions qui ne sont accélérés que sur un libre parcours moyen de l’ordre du micron alors que la largeur de la gaine est supérieure à 100 µm. Le deuxième défi est de trouver une configuration de réacteur compatible avec un traitement en continu qui permettre de mettre en vol et redéposer les NPs. Pour bien définir la gamme d’OTC réalisable à partir de NPs de ZnO :V les travaux se sont déroulés en trois phases : • La détermination de la gamme d’OTC pouvant être obtenue à partir d’une cible de NPs de ZnO:V(1 %at.) basé sur une étude des dépôts obtenus par ablation laser à partir d’une cible de NPs de ZnO:V(1 %at.) et de cibles métalliques de ZnV. Dans tous les cas, l’ensemble des couches minces présentent une orientation préférentielle selon le plan (002) et une fin de structure selon le plan (103). La résistivité la plus faible (4 x 10-4 Ω.cm) est observée pour les dépôt faits à 250 °C à partir d’une cible de Zn :V(3 %at.) alors que les meilleures propriétés optiques sont celles d’une couche mince quasi-amorphe obtenue à 20 °C à partir de la cible de NPs de ZnO:V. Cette couche mince présente une transmission de 40% dans l’UV à 250 nm, 90% dans le visible et 80% dans le PIR à 2500 nm avec une résistivité de 6 x 10-2 Ω.cm. • La recherche et l’optimisation d’une source plasma DBD pour mettre en vol des NPs de ZnO:V dans une configuration compatible avec le dépôt de couches minces contrôlées. La démarche a consisté à chercher à accroître le flux et l’énergie des ions à la cathode en appliquant, sur une des électrodes, une tension radiofréquence (5 MHz) qui génère une forte densité d’ions (~2 x 1011/cm3 ) et sur l’autre électrode une tension basse fréquence (50 kHz) afin de transporter les ions vers la cathode. La première étape a été de bien comprendre la physique de la DBD RF-BF en couplant la caractérisation optique de la décharge résolue spatio-temporellement et la modélisation fluide-1D avec un modèle développé par Gerjan Hagelaar du CNRS-LAPLACE à Toulouse, France. Il ressort que lorsque la tension BF augmente, la décharge initialement RF en régime α bascule en régime γ durant environ 1/5 du cycle BF. Nous avons donc appelé ce régime de DBD RF α-γ. Ce régime de forte puissance (~ 3 W/cm3 ) est stable et homogène. Le modèle montre qu’en régime γ la décharge est auto-entretenue dans la gaine. Ce mode γ est observé lorsque la tension gaz atteint une valeur suffisamment élevée (~750 V) qui est indépendante de l’amplitude de la tension RF. Le passage en mode γ induit une charge des diélectriques suffisante pour diminuer la tension gaz jusqu’au point ou la décharge redevient une décharge en mode α. Il se caractérise par l’augmentation de l’intensité lumineuse et sa localisation au plus près de la cathode pendant le temps ou la tension gaz est la plus élevée. Les émissions de l’argon et de NH s’amplifient tout comme les densités moyennes d’électrons et d’ions. Ce régime n’est observé expérimentalement qu’en présence de ppm de NH3, c’est à dire dans un mélange Penning. La tension BF nécessaire à la transition diminue quand la quantité de NH3 augmente car le niveau d’ionisation du gaz augmente au travers de la réaction de Penning. Avec un coefficient d’émission secondaire d’électron nul, aucune transition n’est visible. Tout comme l’augmentation de la quantité de NH3, l’augmentation de ce coefficient diminue la tension BF nécessaire pour atteindre la transition. La transition du mode α au mode α-γ multiple le flux d’ions à la cathode par un facteur 7 alors que leur énergie s’accroit d’un facteur 4. L’étude expérimentale montre que lorsqu’une cible de NPs interagit avec une DBD RF-BF en mode α-γ, des NPs sont mises en vol. • La conception et le test d’une configuration de réacteur DBD comprenant deux zones plasmas successives : la première pour mettre en vol les NPs d’une cible, la deuxième pour déposer les NPs sur un substrat. Cette dernière est basée sur une DBD double fréquence BF-BF obtenue par application d’une tension 50 kHz qui génère des électrons pour charger les NPs et une tension 1 kHz dont on sait qu’elle peut assurer le transport des NPs chargées du volume vers les surfaces. La faisabilité a été montrée par l’observation de NPs sur le substrat. La méthode en l’état ne permet pas d’éviter l’agrégation des NPs. Une auto-organisation des NPs sur le substrat est observée et reste à expliquer. Cette thèse montre tout l’intérêt des DBD double fréquence pour le traitement de surface. Elle démontre la possibilité de polariser une DBD et la possibilité de transporter les espèces lentes comme les ions et les NPs. Une décharge DBD double fréquence permet d’utiliser les ions pour traiter une surface à la pression atmosphérique et de contrôler de façon sélective le transport des espèces moins mobiles comme les NPs.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Chaker, Mohamedet Massines, Françoise
Mots-clés libres:	énergie; matériaux
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	20 janv. 2021 19:37
Dernière modification:	10 janv. 2022 05:00
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/11168

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