Instabilités et Poussières dans les Gaz Ionisés: Perspectives – INDIGO
L'objectif de ce projet est d'aller plus loin dans la compréhension de trois aspects étroitement liés: les mécanismes de formation des nanoparticules, les instabilités affectant le plasma et les nanoparticules, la dynamique du « void ». L'une des originalités du projet sera d'étudier ces phénomènes dans des réacteurs de géométries différentes, en utilisant différentes méthodes de production des nanoparticules (gaz réactifs à base d'hydrocarbones, pulvérisation). Ainsi, une compréhension globale de ces aspects sera possible, par comparaison, corrélation et interprétation des résultats. La formation des nanoparticules sera explorée pour identifier les mécanismes universels régissant leur cinétique de croissance. Cette dernière sera étudiée en variant les conditions de décharge et en effectuant des mesures électriques. L'analyse des molécules carbonées impliquées dans les réactions chimiques de croissance sera effectuée par spectrométrie de masse et spectroscopie d'émission optique. La caractérisation du « void » sera effectuée dans différents types de gaz. Le plasma interne au void sera analysé par fluorescence induite par laser, spectroscopie d'absorption et d'émission optique. L'interface plasma / nuage de poussières sera également finement étudiée par imagerie. Plusieurs types d'instabilités, apparaissant comme des phénomènes universels des plasmas poussiéreux, seront étudiés grâce à des mesures électriques et à l'imagerie rapide. Ces instabilités étant fortement non linéaires, une approche utilisant la théorie des systèmes dynamiques sera entreprise pour les caractériser et en déduire les équations qui régissent leur dynamique.
Le projet a permis de démarrer des activités communes entre Orléans et Bourges autour des plasmas poussiéreux. Une réelle synergie est en train de naître entre les 2 sites.
La cinétique de formation des poudres et son impact sur les caractéristiques du plasma ont été étudiés à Orléans (formation par pulvérisation) et à Bourges (formation par gaz réactif). La caractérisation électrique des modifications du plasma a permis de suivre la croissance des poudres. Une comparaison a été menée avec des résultats de spectroscopie d'émission qui ont mis en évidence l'augmentation de la température électronique pendant la croissance des poudres et la formation de générations successives de poussières.
La formation de poudres est souvent accompagnée d'instabilités. L'utilisation d'un nouveau gaz pour la pulvérisation (Krypton) a révélé une grande variété de nouveaux phénomènes qui ont été caractérisés par des mesures électriques et par imagerie rapide. L'existence et le comportement de zones de plasma très lumineuses sont des résultats majeurs que nous avons publiés dans Phys. Rev. Lett.. Les interactions entre ces zones (fusion et division) soulignent l'existence de phénomènes physiques qui pourraient se retrouver dans d'autres types de plasmas.
Le diagnostic de Fluorescence Induite par Laser a mis en évidence la variation de la densité des neutres excités pendant les instabilités de croissance et la variation spatiale de cette densité dans le void.
Concernant l'aspect non-linéaire des instabilités, une analyse plus détaillée a été menée sur les premiers résultats expérimentaux. La forme et l'évolution de l'amplitude des pics ont été analysés et montrent notamment qu'une nouvelle petite oscillation qui apparaît a une amplitude plus grande que celles déjà présentes.
Les bons résultats obtenus sur la formation des poudres nous ont également permis de démarrer des collaborations qui n'étaient pas initialement prévues avec deux laboratoires étrangers.
Les résultats issus de ce projet soulèvent de nouvelles questions notamment sur les problèmes liés aux instabilités et au void. Les aspects non linéaires sont relativement complexes et les approches interdisciplinaires seront certainement à poursuivre.
A mi-parcours, ce travail a donné lieu à 3 articles publiés dans des revues internationales à comité de lecture dont un dans la revue Physical Review Letters.
2 autres articles sont en cours de finalisation avant soumission.
Les participations aux conférences ont également donné lieu à 2 oraux, 8 posters et 4 actes
Electron temperature evolution in a low pressure dusty RF nitrogen-rich methane plasma
V. Massereau-Guilbaud, I. Géraud-Grenier, J.-F. Lagrange, H. Tawidian and M. Mikikian
IEEE Trans. Plasma Sci. 41, 816 (2013)
Zoom into dusty plasma instabilities
H. Tawidian, T. Lecas, M. Mikikian
IEEE Trans. Plasma Sci., 41, 754 (2013)
Merging and Splitting of Plasma Spheroids in a Dusty Plasma
M. Mikikian, H. Tawidian, T. Lecas
Phys. Rev. Lett. 109, 245007 (2012)
Les plasmas poussiéreux (ou complexes), sont des gaz ionisés contenant des poussières dont la taille varie du nm au mm. Ces milieux se rencontrent en astrophysique (queues de comètes, atmosphères planétaires) et dans l'industrie où ces poussières sont néfastes en microélectronique mais utiles pour la fabrication de systèmes en nanotechnologie (dispositifs à un électron, cellules solaires). La fusion thermonucléaire est également concernée par la présence de poussières provenant de l'érosion des parois.
La formation de poussières dans les plasmas peut être due à la présence de gaz réactifs ou à la pulvérisation des surfaces. Les mécanismes de croissance impliquent de nombreuses réactions chimiques et physiques encore mal connues. Les poussières sont piégées dans le plasma du fait de leur charge négative acquise en capturant les électrons libres. Ce phénomène peut altérer l'équilibre du plasma qui est alors le siège de nombreuses instabilités dont les caractéristiques sont liées à celles des poussières. Différentes forces agissent sur ces poussières, entraînant des inhomogénéités dans leur répartition spatiale comme la formation d'une région vide de poussières ("void") au centre du nuage.
L'objectif de ce projet est de développer les connaissances fondamentales sur des aspects étroitement liés: les mécanismes de formation des poussières, les instabilités qui affectent le plasma et les poussières, la dynamique du "void". Des avancées scientifiques significatives sont attendues sur ces aspects méconnus mais primordiaux pour une bonne compréhension de ces milieux. Du point de vue des applications potentielles, ces études pourront servir à améliorer les méthodes de formation, de détection, de contrôle, d'élimination ou d'utilisation des poussières.
L'une des originalités de ce projet sera d'étudier ces phénomènes dans des réacteurs différents et avec différentes méthodes de production des poussières (gaz réactifs et particulièrement hydrocarbonés, pulvérisation). Ceci permettra d'envisager une explication globale de ces phénomènes, en comparant, corrélant et interprétant les différents résultats.
La formation de poussières sera étudiée afin d'identifier des processus universels. La cinétique de croissance sera suivie en fonction des conditions de décharge et une analyse des molécules carbonées intervenant dans les réactions chimiques sera effectuée.
Le void sera caractérisé en fonction de la nature du gaz. Le plasma central sera analysé par Fluorescence Induite par Laser, absorption et spectroscopie d'émission optique. L'interface nuage/plasma sera examinée avec attention.
Différents types d'instabilités seront étudiés afin de mettre en évidence leur caractère universel dans les plasmas poussiéreux. Ces phénomènes instables peuvent être de précieux outils de diagnostic pour détecter la présence de poussières et suivre leur croissance. Ces instabilités sont souvent fortement non linéaires. Des techniques d'analyse des systèmes dynamiques seront appliquées pour caractériser ces instabilités et remonter aux équations régissant leur dynamique. Cet aspect amène une nouvelle thématique interdisciplinaire au sein du laboratoire.
Ce projet sera mené au GREMI dont l'expérience dans le domaine des plasmas poussiéreux est internationalement reconnue. Une des particularités du projet sera de développer des approches originales et d'engager de nouvelles collaborations interdisciplinaires notamment autour des aspects nonlinéaires. Depuis 2009 et la fusion avec le laboratoire LASEP de Bourges, le GREMI est sur 2 sites (Orléans, Bourges). Avant 2009, le GREMI et le LASEP travaillaient indépendamment sur les plasmas poussiéreux. Depuis la fusion, l'association des compétences respectives des 2 sites offre des perspectives nouvelles. Ce projet permettrait ainsi de fédérer ces travaux et de faire naître un projet commun aux 2 sites autour de la thématique des plasmas poussiéreux.
Coordination du projet
Maxime MIKIKIAN (UNIVERSITE D'ORLEANS)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenaire
GREMI UNIVERSITE D'ORLEANS
Aide de l'ANR 250 000 euros
Début et durée du projet scientifique :
October 2011
- 36 Mois
