Dispositif expérimental pour la synthèse de nanoparticules de carbone

Ce chapitre se compose de trois parties. Dans un premier temps, quelques généralités sur les plasmas sont exposées. La seconde partie est consacrée à la description détaillée de la torche plasma froid développé et basée sur l’établissement de décharges non thermiques évoluant à haute tension et faible courant. Son principe de fonctionnement est également décrit. Ensuite, la notion de « stabilité des points de fonctionnement» est abordée afin de présenter l’enjeu résidant dans l’alimentation de telles décharges. Puis, les deux sources électriques employées sont présentées suivie de la description des éléments composant le banc expérimental. gazeux. Ce concept de 4ème état de la matière a été introduit par Langmuir et Tonks en 1929 qui, observant le mouvement et les pulsations de la matière dans un champ électromagnétique l’ont comparé à une cellule vivante, un « plasma cellulaire ». Un plasma est un fluide partiellement ou totalement ionisé constitué de molécules, d’atomes, de radicaux, d’ions et d’électrons. La présence de particules chargées (ions et électrons) constitue la principale différence entre un plasma et un gaz. Une des méthodes les plus simples pour générer un plasma est d’appliquer une forte différence de potentiel entre deux électrodes à travers lesquelles circule un gaz afin que celui-ci soit ionisé. La différence de potentiel minimale nécessaire à l’amorçage de l’arc électrique est appelée différence de potentiel disruptive ou encore tension de claquage. Elle dépend de la pression et de la composition du gaz ainsi que de la distance entre les deux électrodes. D’un point de vue macroscopique, les charges dans le plasma sont accélérées par le champ électrique, les électrons se dirigeant vers l’anode tandis que les charges positives se dirigent vers la cathode. La mobilité des espèces lourdes est nettement inférieure à celle des électrons en raison de leur masse plus élevée. De même, l’augmentation de l’énergie cinétique des électrons due au champ électrique est plus importante que celle des particules lourdes. L’énergie acquise par les électrons se transmet aux ions, aux particules neutres et autres électrons lors de collisions. Cette activité du milieu caractérise l’agitation des particules. Elle est représentée par la moyenne de l’énergie cinétique de l’ensemble des particules qui est liée à la température par la relation de Boltzmann :

L’agitation des électrons n’est pas toujours égale à celle des espèces neutres ou ionisées ; en effet, ces dernières sont plus lourdes et donc plus difficiles à accélérer. Ainsi, une température peut être associée à chaque particule en fonction de l’énergie cinétique de la particule considérée. Les électrons possèdent une température, Te, appelée température électronique et les particules lourdes (ions et espèces neutres) une température TL (température des espèces lourdes) (Equation II.2). Ces températures représentent uniquement l’état d’agitation des particules et ne sont pas égales à la température physique. Dans le domaine des plasmas hors équilibre thermodynamique, la notion de température n’a pas de sens, on l’exprime comme une énergie, en électron volt. Ces considérations conduisent aux notions de plasma hors-équilibre thermodynamique ou plasma froid et de plasma à l’équilibre ou plasma thermique. Dans le domaine des plasmas à l’équilibre thermodynamique, on peut définir une seule température qui est aussi égale à la température physique du milieu :

Te ≠ TL La figure II.1 représente l’évolution de la température des électrons et des particules lourdes dans une décharge d’arc à pression et à courant variables. Elle illustre le passage progressif d’un arc à l’équilibre thermodynamique lorsque le courant ou la pression augmente. Ce phénomène se comprend aisément. En effet, dans le domaine des faibles pressions ou de faibles intensités, les collisions entre les différentes particules et donc les échanges d’énergie sont très faiblement favorisés. La température des électrons et des particules lourdes est différente : c’est le domaine des plasmas froids. Lorsque la pression ou le courant (le nombre d’électrons) augmente, le nombre de collisions entre les différentes radiatifs. Lorsque ne/N<10-2, la distribution électronique est non maxwellienne et régie par des processus réactifs. Les plasmas fortement ionisés sont aussi appelées plasmas chauds par opposition aux plasmas faiblement ionisés dits plasmas froids [2].