Transformation de l'énergie électrique en PREcurseurs actifs par Plasmas Froids diffus à la Pression Atmosphérique – PREPA

Du fait de leur facilité de mise en ?uvre et de leur faible coût, les plasmas froids à la pression atmosphérique suscitent aujourd'hui un intérêt grandissant. Leur potentiel est maintenant établi pour un grand nombre d'applications dont celles développées par les partenaires du consortium. Ces applications incluent la combustion assistée par plasma étudiée à EM2C, le dépôt de couches minces pour l'encapsulation de composants organiques pour les dispositifs électroniques portatifs étudiés à LAPLACE, le dépôt en ligne de couches minces sur des cellules photovoltaïques étudié à PROMES, le traitement biomédical et la décontamination. La diversité des gaz et des configurations de décharges utilisées pour ces différentes applications a déjà fait l'objet de nombreux travaux dans différents laboratoires. Une approche concertée est maintenant nécessaire pour réunir les avancées des différents groupes afin de lever les verrous communs à ces applications. Un objectif-clé pour le développement de nouveaux réacteurs ou procédés est de maximiser et optimiser l'efficacité du dépôt d'énergie dans le gaz en augmentant le volume de la décharge et la production des espèces désirées. Dans ce projet, nous proposons une démarche commune pour étudier deux des principales méthodes de génération de plasmas froids à la pression atmosphérique : les Décharges à Barrière Diélectrique (DBD) et les Décharges Nanosecondes Répétitives Pulsées (DNRP). Bien que très différentes, ces deux décharges présentent de nombreuses similarités : toutes deux peuvent fonctionner en mode filamentaire ou diffus, et l'ordre de grandeur de la puissance volumique des décharges diffuses est le même. Le problème central est de comprendre comment maximiser cette puissance et comment optimiser le transfert de l'énergie électrique pour créer les précurseurs actifs désirés. Il est bien sûr impossible d'envisager dans une seule étude le spectre complet des mélanges de gaz utilisés pour l'ensemble des applications. Néanmoins, la concentration de gaz réactif est souvent très faible et déterminée par les conditions d'excitation du gaz vecteur, c'est-à-dire par sa température et son degré de dissociation, d'ionisation et son excitation interne. C'est pourquoi ce projet est focalisé sur trois types de gaz-porteurs (l'azote, l'air et le mélange argon/ammoniaque) représentatifs des gaz employés pour de nombreuses applications. Les trois types de gaz-porteurs ont été choisis en raison de leurs différentes propriétés en terme d'électronégativité, de mécanismes d'excitation interne et de processus Penning. L'objectif de ce projet est d'étudier et de comprendre comment contrôler la répartition d'énergie entre les différents précurseurs actifs du gaz et comment augmenter la puissance d'une décharge froide diffuse à la pression atmosphérique. Les résultats seront synthétisés en un document permettant de guider les utilisateurs souhaitant développer une nouvelle application dans leur choix de la configuration de décharge la plus appropriée. A la fin du projet, chaque équipe implantera dans son laboratoire le type de décharge la plus prometteuse pour les applications auxquelles elle s'interesse. L'approche scientifique proposée pour atteindre ces objectifs se décompose en trois phases: d'abord déterminer, dans chaque gaz pour une décharge donnée, le champ électrique et la température du gaz ainsi que les précurseurs actifs, c'est-à-dire les ions positifs et négatifs, la fonction de distribution en énergie des électrons, les radicaux, les photons et les états excités incluant les métastables, les vibrationnels et les rotationnels. Ensuite, étudier l'influence des différents paramètres incluant le régime de décharge et l'ensemble du système délivrant l'énergie électrique sur la densité relative des différents précurseurs actifs. Cette étude permettra de comprendre les mécanismes qui contrôlent la répartition de l'énergie et de déterminer comment optimiser cette répartition. La dernière phase est la maximisation des précurseurs actifs qui suppose l'augmentation de la puissance tout en restant en régime de décharge diffuse. De tels objectifs ne peuvent être atteints que par une approche duale combinant les compétences expérimentales de PROMES, EM2C et LAPLACE aux compétences en modélisation numérique avancée de EM2C, LGE et LAPLACE. Le consortium regroupe aussi des experts ayant des compétences multidisciplinaires en physico-chimie des plasmas (LAPLACE, EM2C, LGE, PROMES), en génie électrique (LGE, LAPLACE) et en diagnostics optiques (EM2C, LAPLACE et les laboratoires avec lesquels des collaborations sont engagées au niveau national et international).