Étude d’une Décharge à Barrière Diélectrique (DBD)
homogène dans l’azote à pression atmosphérique

QU’EST-CE QU’UN PLASMA FROID ?

Les plasmas constituent le quatrième état de la matière, faisant suite, dans l’échelle des températures, aux trois états classiques : solide, liquide et gaz. En théorie, un plasma est un gaz totalement ionisé dans lequel on a macroscopiquement la neutralité électrique. En réalité et par abus de langage, on désigne par le terme plasma tous les gaz ionisés quel que soit leur degré d’ionisation  (Eq I-1). Celui-ci varie dans des proportions très importantes suivant la nature du plasma considéré : de 10-8 pour des plasmas de décharge à faible intensité à 1 pour les plasmas, complètements ionisés, de fusion (plasma thermonucléaire, étoiles, etc.). Un plasma étant un milieu énergétique il peut contenir les diverses espèces suivantes : électrons, ions positifs et négatifs, photons, atomes, neutres (atomes ou molécules) excités ainsi que des fragments de molécules dissociées appelées radicaux [1]. Eq I-1 Avec : ne : nombre d’électrons libres par unité de volume, n0 : nombre de neutres par unité de volume. Sur Terre, on ne rencontre pas de plasma à l’état naturel si ce n’est dans la foudre et les aurores boréales. En effet, à température ambiante et à l’équilibre, les gaz ne sont pratiquement pas ionisés. Un premier moyen de créer un plasma consiste à élever la 0 n n n e e    Chapitre I 8 température du gaz. Cela conduit à un milieu à l’équilibre thermodynamique, c’est à dire dans lequel toutes les particules (électrons, ions, neutres) ont la même température. Il est également possible de créer un plasma par application d’un champ électrique au milieu. On parlera alors de plasma créé par décharge électrique. Le champ électrique a pour effet d’accélérer les électrons libres à des énergies suffisantes pour qu’ils puissent, par collision, ioniser les molécules. On a alors un phénomène d’avalanche électronique qui peut, si le champ est suffisamment élevé, conduire à la formation d’un plasma et à la création d’un canal conducteur entre les électrodes. Suivant la puissance dissipée, le plasma peut être :  proche de l’équilibre thermodynamique : ce qui se traduit par une température électronique Te proche de la température du gaz Tg.  ou hors équilibre thermodynamique : dans ce cas, la température électronique Te est très grande comparée à la température du gaz Tg. On parle alors de plasma froid. Dans ces conditions, le plasma est faiblement ionisé. Le degré d’ionisation (Eq I-1) reste inférieur à 10-4. C’est ce type de plasma qui fait l’objet de cette thèse. La Figure I-1 présente les différents types de plasma en fonction de leurs températures électroniques et densités respectives. Par la suite, nous nous focaliserons sur les plasmas froids hors équilibre à pression atmosphérique.

TRAITEMENT DE SURFACE REALISES PAR PLASMAS FROIDS

 Un traitement de surface a pour objectif de conférer de nouvelles propriétés de surface au matériau, tout en conservant les propriétés volumiques du matériau de base. Les plasmas froids présentent un fort potentiel pour cette application. En effet, si les espèces énergétiques qui sont créées dans le plasma (photons, ions, molécules ou atomes excitésȌ ont assez d’énergie pour casser des liaisons à la surface, elles n’en n’ont pas suffisamment pour pénétrer dans le matériau au-delà de quelques dizaines de nm. De plus contrairement aux procédés chimiques en voie humide, l’impact environnemental des procédés utilisant des plasmas froids est minime. Les applications des procédés plasma sur les matériaux ont été principalement poussées et améliorées par l’industrie de la microélectronique depuis la fin des années ͳͻ͸Ͳ, principalement au niveau du dépôt de couches minces de matériaux [2] et du décapage/gravure par plasma de semi-conducteurs et métaux, appelée ablation légère pour les polymères tels que des résines photosensibles [3][4]. Contrairement au dépôt ou à la gravure, où un matériau est ajouté ou enlevé de la surface, un troisième type de procédé plasma de traitement de surface – la modification ou l’activation de surface – ne fait ni l’un ni l’autre de façon significative. En fait, seules la composition et la structure de quelques couches moléculaires de la surface sont modifiées par le plasma. Quelques exemples de propriétés recherchées dans ce dernier cas sont une augmentation de la mouillabilité, une amélioration de l’adhésion, ou une meilleure biocompatibilité. Pour ces applications, la densité des groupements chimiques (en particulier polaires) sur la propriété voulue est évidemment importante. Par contre, l’identité exacte des groupements polaires greffés en surface n’est pas toujours essentielle. Néanmoins, quand un groupement spécifique (COOH, NH2, etc.) est visé, on ne parle plus de simple modification, mais de fonctionnalisation de surface . Aujourd’hui l’ensemble de ces procédés se sont imposés dans de nombreux domaines industriels (micro-électronique, agro-alimentaire, aérospatial, …Ȍ. Après avoir été principalement cantonnés aux procédés à basse-pression nécessitant l’emploi d’un système de pompage souvent coûteux et peu adapté à la réalisation d’un traitement en ligne, les procédés de traitements de surfaces par plasmas froids à pression atmosphérique sont en plein essor. Le principal avantage est de pouvoir les insérer Chapitre I 10 directement dans une chaîne de production et donc de traiter des grandes surfaces. C’est ce type de plasma qui est l’objet de cette étude. 

COMMENT EVITER LA TRANSITION A L’ARC A LA PRESSION ATMOSPHERIQUE ? 

Le principal inconvénient des plasmas à pression atmosphérique pour les traitements de surface précités résulte du fait que le libre parcours moyen est beaucoup plus faible qu’à basse pression. Ainsi, lors de l’application d’une différence de potentiel entre deux électrodes métalliques, on obtient un plasma très localisé qui tend rapidement vers l’équilibre thermodynamique. On est alors en présence d’un arc électrique dont la température peut dépasser 20000 K [7] ce qui peut entraîner la destruction du matériau à traiter. )l existe néanmoins des solutions pour éviter la transition à l’arc et maintenir la température de la décharge électrique proche de la température ambiante. Nous décrirons ici les principales solutions en se focalisant par la suite sur les Décharges à Barrières Diélectriques (DBD).