Modélisation de la génération de nanoparticules dans un plasma RF d’Argon-Silane.

Resseguier, Antoine (2023). Modélisation de la génération de nanoparticules dans un plasma RF d’Argon-Silane. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique / Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 106 p.

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Résumé

Les plasmas poussiéreux sont des gaz ionisés globalement neutres composés d’espèces chargées (électrons, ions positifs et négatifs) ainsi que de particules chargées de matière condensée. Ce type de plasma est assez répandu naturellement, que ce soit dans l’atmosphère de planètes ou encore dans les nuages interstellaires, mais également en laboratoire, dans les tokamaks ou dans des dispositifs de plasmas froids. Notre étude porte sur la croissance de nanoparticules de silicium dans un plasma froid basse-pression Radio-Fréquence (RF) d’argon-silane, plus particulièrement sur l’influence des interactions entres particules solides sur le processus de coagulation. La croissance de nanoparticules commencera dans notre cas par la nucléation, en effet les particules solides ne sont pas introduites dans le plasma, mais produites par des réactions chimiques de croissance moléculaire dans le plasma. Les processus de coagulation et de collage viennent ensuite. La coagulation se produit lorsque deux particules solides coalescent pour former une plus grande structure. Les interactions entre particules sont très importantes dans ce processus, l’augmentant ou la diminuant selon qu’elles soient attractives ou répulsives. Durant le processus de collage, les espèces chimiques du plasma (radicaux et ions positifs majoritairement) viennent se coller à la surface des particules solides faisant croitre leurs diamètres. Une première partie du projet concerne l’étude de l’interaction entre clusters de silicium, et cela par l’utilisation de calculs quantiques (avec le logiciel de DFT SIESTA). Nous comparons les résultats obtenus avec des potentiels analytiques : le premier représentant les interaction de van der Waals (potentiel d’Hamaker), et le second représentant les interactions électrostatiques dépendantes de la charge, c’est-à-dire les effets coulombien ainsi que les effets de polarisation (potentiel IPA). De plus, de ces calculs sont ressortis des facteurs de corrections, facteur multiplicatif du taux de coagulation pour les interactions entre particules neutres, entre particules chargées et enfin entre particules neutres et chargées.La seconde partie de ce projet a pour but d’étudier l’influence des facteurs de corrections, déterminés dans la première partie, sur le processus de coagulation et sur la dynamique des aérosols en général, et cela en utilisant des modèles de plasmas quasihomogènes. Le premier est un modèle chimique décrivant notamment les processus menant à la nucléation et l’évolution des espèces présentes dans le processus de collage. Le second modèle est un modèle de dynamiques d’aérosols décrivant les différents processus de génération et croissance des particules solides (nucléation, collage et coagulation). Le but ultime est de coupler ces deux modèles afin de décrire les couplages entre dynamiques du plasma et des aérosols.

Dusty plasmas are ionised gases globally neutral composed of charged species (electrons, positive and negative ions) but also of charged particles of condensed matter. This type of plasma can be found naturally, for example in the atmosphere of planets or in interstellar clouds, but also in the laboratory, like in tokamaks or in cold plasma devices. Our study focuses on the growth of silicon nanoparticles in a cold low-pressure radiofrequency (RF) argon-silane plasma, and more specifically on the influence of interactions between solid particles on the coagulation process. In our case, the growth of nanoparticles will begin with nucleation, the solid particles are not introduced into the plasma, but produced by chemical reactions of molecular growth in the plasma. The coagulation and surface growth processes follow. Coagulation occurs when two solid particles coalesce to form a larger structure. Interactions between particles are very important in this process, increasing or decreasing it depending on whether they are attractive or repulsive. During the surface growth process, the chemical species in the plasma (mainly radicals and positive ions) stick to the surface of the solid particles, increasing their diameter. The first part of the project concerns the study of the interaction between silicon clusters, using quantum calculations (with the DFT software SIESTA). We compare the results obtained with analytical potentials : the first representing van der Waals interactions (Hamaker potential), and the second representing charge-dependent electrostatic interactions, i.e. coulombic effects as well as polarisation effects (IPA potential). In addition, these calculations yielded correction factors, which multiply the coagulation rate for interactions between neutral particles, between charged particles and between neutral and charged particles. The second part of this project aims to study the influence of the correction factors determined in the first part on the coagulation process and on aerosol dynamics in general, using quasi-homogeneous plasma models. The first is a chemical model describing, in particular, the processes leading to nucleation and the evolution of the species present in the surface growth process. The second is an aerosol dynamics model describing the various processes involved in the generation and growth of solid particles (nucleation, surface growth and coagulation). The ultimate goal is to couple these two models in order to describe the coupling between plasma and aerosol dynamics.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Vidal, François
Mots-clés libres:	Plasma poussiéreux ; Coagulation ; Nanoparticules ; Clusters ; Interactions ; Dusty plasma ; Coagulation ; Nanoparticles ; Clusters ; Interactions
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	19 déc. 2023 20:56
Dernière modification:	19 déc. 2023 20:57
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13809

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