Production d'espèces atomiques via les états électroniques excités dans des plasmas à haute densité énergétique – ASPEN

Malgré d’intenses recherches depuis des décennies, la production d'azote atomique en grande quantité par des procédés énergétiquement efficaces reste un obstacle majeur pour de nombreuses applications industrielles comme les procédés de nitruration, la synthèse de nouveaux nanomatériaux et de nitrures à large bande pour l'électronique de puissance, ou encore le traitement biomédical. Il est également important de mieux comprendre les mécanismes de production/destruction d'azote atomique pour la combustion assistée par plasma ou pour la réduction des émissions polluantes. Ce projet collaboratif vise à comprendre les canaux de production de N par décharges plasmas à haute densité d’énergie, en particulier les décharges nanosecondes et microondes.

Le projet se concentre sur les mécanismes cinétiques impliquant les états électroniques excités de N2. Dans l'azote pur, de nombreux états électroniques excités d'énergie supérieure à 11,5 eV sont produits par impact électronique sous l’action de champs électriques élevés. Ces états excités se prédissocient spontanément pour former des atomes d’azote dans l’état fondamental N(4S) et dans les deux premiers états métastables N(2P) and N(2D). Ce canal est prépondérant à basse pression où les collisions entre espèces lourdes sont peu fréquentes. At haute pression, cependant, ces états excités peuvent aussi se dissocier par collisions avec l’’azote moléculaire dans son état fondamental. Certains auteurs prédisent que la dissociation collisionnelle est plus efficace que la prédissociation à des pressions de quelques atmosphères. D’autres mécanismes collisionnels possibles à haute pression incluent les réactions de pooling entre deux molécules N2 excitées. Si l’utilisation de hautes pressions parait avantageuse, il faut cependant noter que la recombinaison à deux et trois corps augmente aussi avec la pression, ce qui peut réduire la production globale d’azote atomique.

Parce que les taux d’excitation par impact électronique augmentent exponentiellement avec le champ électrique réduit E/N (E champ électrique, N densité totale du gaz), la densité des états électroniques de N2 augmente avec E/N. L’utilisation de champs forts permet donc de d’augmenter la dissociation avec un coût énergétique réduit. D’après les résultats de la littérature, le coût énergétique décroît de 340 eV/atome à E/N = 140 Td (1 Td = 10-17 V-cm2) à seulement 40 eV/atome au-dessus de 300 Td. Cependant, peu de résultats expérimentaux sont disponibles pour confirmer ces résultats sur une large gamme de E/N et de pressions.

L’objectif de ce projet est de mieux comprendre cette cinétique complexe. Pour cela, des expériences seront menées avec plusieurs types de décharges dans des conditions allant du régime non-collisionnel (1-10 Pa) jusqu’aux régimes fortement collisionnels (1-10 atm), avec des champs réduits de 100 à 400 Td. Des techniques lasers avancées, en particulier la TALIF femto-, pico- et nano-seconde, ainsi que la spectroscopie d’émission quantitative, seront utilisées pour mesurer l’évolution spatio-temporelle des densités des espèces chimiques. En parallèle, un modèle de cinétique chimique détaillée sera développé et incorporé dans des simulations 2D des décharges nanosecondes et microondes pour analyser les résultats et optimiser le procédé de production de N.

Les résultats attendus sont, d'une part, une compréhension détaillée des mécanismes cinétiques et, d'autre part, une caractérisation complète des différentes décharges en termes de taux de production et de coût énergétique en fonction du champ appliqué et de la pression pour servir de référence dans les applications visées.

Le consortium regroupe des experts en décharges plasmas, diagnostics avancés et modélisation. Des collaborations étroites sont aussi envisagées avec des experts en cinétique chimique : équipe de M. Capitelli à Bari, et N. Popov à Moscow State University qui participe déjà au LIA d’un des partenaires.