DÉpôt de Couches minces dans l'AIR par décharge à barrière diélectrique homogène – DECAIR

L’obtention d’une DBD homogène passe par une distribution uniforme en électrons germes avant le claquage. Ces électrons germes sont la résultante ou l'effet mémoire des décharges précédentes. Les mécanismes d'effet mémoire décrits dans la majorité des gaz ne peuvent s'appliquer dans le cas de l'air. Jusqu'à récemment, il était même considéré comme impossible d'obtenir des décharges homogènes dans l'air. Quelques études récentes, ainsi que nos résultats préliminaires, indiquent le contraire sans en expliquer les causes. Nos premiers tests révèlent toutefois que, contrairement aux autres gaz, les électrons germes n'ont ici pas de filiation avec le gaz, mais s'avèrent uniquement issus de phénomènes en surface des diélectriques. Afin d'étudier ce mécanisme, il est essentiel de mettre en œuvre une mesure de la dynamique des charges stockées dans les diélectriques pendant le processus de décharge.
Une mesure par effet Pockels, couplée à une étude systématique sur les matériaux diélectriques, et les conditions d'obtention des décharges homogènes, nous permettrons de comprendre les mécanismes liés à l'effet mémoire dans l'air à la pression atmosphérique. De manière concomitante, nous déterminerons les conditions optimales d'obtention des décharges homogènes. L'optimisation du procédé se poursuivra par un travail sur l'alimentation électrique et les formes d'onde appliquées à la DBD. Nous étendrons le domaine de fonctionnement en termes de puissance transmise et de fréquence de fonctionnement. L'augmentation de la fréquence impliquera alors logiquement un effet du gaz sur le comportement de la décharge. Nous étudierons son rôle par un modèle de cinétique chimique 1D couplé à des mesures optiques avancées (LIF, OES). Nous réaliserons ensuite des dépôts de type SiOx dont nous étudierons l'impact sur l'effet mémoire. Pour cela, nous travaillerons avec un précurseur modèle de type HMDSO, aux mécanismes de dissociation bien connus et avec lequel nous sommes habitués à travailler. Les couches serviront à apporter aux substrats une propriété barrière à l’eau et à l’air. L'analyse des propriétés des couches réalisées, de la vitesse de dépôt, permettront de comparer notre procédé à celui utilisant de l'azote. Nous montrerons ainsi la faisabilité de déposer une couche de type SiOx homogène, dense, en utilisant une DBD dans l'air à la pression atmosphérique.

Augmentation de la puissance d'une DBD homogène dans l'air :
En modifiant l'épaisseur du diélectrique nous avons réussi à augmenter la puissance dissipée dans la DBD. Nous avons montré que pour un matériau donné, la densité maximale de courant admissible par la DBD avant de passer en filamentaire était constante.

En plus de l'apport scientifique indéniable sur la compréhension de l'effet mémoire, DECAIR ouvre des perspectives industrielles. Le procédé utilisé durant ce projet sera transférable sur des réacteurs de type Corona et donc utilisables pour le traitement en ligne des films plastiques. A l'heure actuelle des couches minces sont déposées avec de tels réacteurs sous atmosphère d'azote ou d'argon. En utilisant uniquement de l'air filtré et déshuilé, le coût financier et énergétique d'un tel procédé serait réduit, le rendant ainsi plus respectueux de l’environnement.

1. «Influence of the dielectric material on a Diffuse Dielectric Barrier Discharge in air at atmospheric pressure«, Antoine Belinger, Simon Dap, Erwan Sammier, Nicolas Naudé; Hakone 17, 08/2022, Kerkrade (Netherlands)
2. Pre-ionization in atmospheric pressure Townsend discharges (APTD):surface VS volume mechanisms, S. Dap, C. Tyl, X. Lin, A. Belinger, H. Höft, M. Kettlitz, R. Brandenburg, N. Naudé; Hakone 17, 08/2022, Kerkrade (Netherlands)
3. «The importance of pre-ionization on surface and volume for Atmospheric Pressure Townsend Discharges (APTD) «, C. Tyl, X. Lin, S. Dap, A. Belinger, H. Höft, M. Kettlitz, R. Brandenburg, N. Naudé, ESCAMPIG XXV, July 19-23, Paris (France)
4. “Investigation of the pre-ionization mechanisms in atmospheric pressure Townsend discharges obtained in various gases”, Annual congress of Canadian Association of Physicists, A. Belinger, N. Naudé, H. Caquineau, C. Tyl , E. Sammier, X. Lin, C. Bajon, S.Dap, June 6 2022, Mc Master University, Hamilton, Canada
5. «Electrical diagnostics for Dielectric Barrier Discharges: from integrated measurements to spatially resolved measurements. Benefits for plasma processes at atmospheric pressure?«, C. Tyl, A. Belinger, S. Dap, N. Naudé, PLATHINIUM, 13-17 Septembre 2021, virtual conference – conference invitee

DECAIR vise à montrer la faisabilité d'un procédé plasma de dépôt de couche mince homogène dans l'air à la pression atmosphérique. Afin de pouvoir traiter à faible coût des matériaux thermosensibles tel que des plastiques, tout en obtenant un dépôt homogène, le procédé choisi utilisera une Décharge à Barrière Diélectrique (DBD). Dans l'azote ou avec des gaz rares, de nombreuses études montrent l'utilité de ces dispositifs pour réaliser des dépôts de couches minces. Dans ces deux cas, la qualité des dépôts est fortement influencée par la nature de la décharge. Lorsque celle-ci est constituée de multiples filaments, les dépôts ont une mauvaise tenue mécanique et sont poreux. A contrario, lorsque la décharge est diffuse, l'énergie est répartie de façon homogène sur le substrat : les dépôts sont alors plus denses et possèdent une excellente tenue mécanique. Dans le cadre de notre projet, il est donc primordial de travailler dans le régime dit homogène.
L’obtention d’une DBD homogène passe par une distribution uniforme en électrons germes avant le claquage. Ces électrons germes sont la résultante ou l'effet mémoire des décharges précédentes. Les mécanismes d'effet mémoire décrits dans la majorité des gaz ne peuvent s'appliquer dans le cas de l'air. Jusqu'à récemment, il était même considéré comme impossible d'obtenir des décharges homogènes dans l'air. Quelques études récentes, ainsi que nos résultats préliminaires, indiquent le contraire sans en expliquer précisément les causes. Nos premiers tests révèlent toutefois que, contrairement aux autres gaz, les électrons germes n'ont ici pas de filiation avec le gaz, mais s'avèrent uniquement issus de phénomènes en surface des diélectriques. Afin d'étudier ce mécanisme, il est essentiel de mettre en œuvre une mesure de la dynamique des charges stockées dans les diélectriques pendant le processus de décharge.
Une mesure par effet Pockels, couplée à une étude systématique sur les matériaux diélectriques et les conditions d'obtention des décharges homogènes permettront de comprendre les mécanismes liés à l'effet mémoire dans l'air à la pression atmosphérique. De manière concomitante, nous déterminerons les conditions optimales d'obtention des décharges homogènes. L'optimisation du procédé se poursuivra par un travail sur l'alimentation électrique et les formes d'ondes appliquées à la DBD. Nous étendrons le domaine de fonctionnement en termes de puissance transmise et de fréquence de fonctionnement. L'augmentation de la fréquence impliquera alors probablement un effet du gaz sur le comportement de la décharge. Nous étudierons son rôle par un modèle de cinétique chimique 1D couplé à des mesures optiques avancées (LIF, OES). Nous réaliserons ensuite des dépôts de type SiOx dont nous étudierons l'impact sur l'effet mémoire. Pour cela, nous travaillerons avec un précurseur modèle de type HMDSO, aux mécanismes de dissociation bien connus et avec lequel nous sommes habitués à travailler. Les couches pourront servir à apporter aux substrats une propriété barrière à l’eau et à l’air. L'analyse des propriétés des couches réalisées et de la vitesse de dépôt permettra de comparer notre procédé à celui utilisant de l'azote. Nous montrerons ainsi la faisabilité de déposer une couche de type SiOx homogène et dense en utilisant une DBD dans l'air à la pression atmosphérique.
En plus de l'apport scientifique indéniable sur la compréhension de l'effet mémoire, DECAIR ouvre des perspectives industrielles. A terme, le procédé utilisé durant ce projet sera transférable sur des réacteurs de type Corona et donc utilisable pour le traitement en ligne des films plastiques. A l'heure actuelle, des couches minces peuvent être déposées avec de tels réacteurs sous atmosphère d'azote ou d'argon. En utilisant uniquement de l'air filtré et déshuilé, le coût financier et énergétique d'un tel procédé serait réduit, le rendant ainsi plus respectueux de l’environnement.