Synthèse ultrarapide de nanoparticules par claquage dans des liquides diélectriques

International audienceReflets de la Physique n° 51 22 Les récents progrès sur la compréhension des décharges produites dans les liquides diélectriques entre deux électrodes dont on choisit la composition, ouvrent des perspectives nouvelles dans la maîtrise de l'élaboration de nanoparticules. De telles décharges permettent de synthétiser des nanoparticules ayant des diamètres caractéristiques compris entre 2 et 10 nm. Surtout, elles permettent d'atteindre des rendements de production remarquablement élevés, de l'ordre de la centaine de grammes par heure. La difficulté principale consiste à maîtriser ce procédé qui est basé sur un phénomène stochastique : le claquage d'un diélectrique, qui permet la formation d'une décharge électrique. Synthèse ultrarapide de nanoparticules par claquage dans des liquides diélectriques L'étude des décharges produites entre deux électrodes dans des liquides diélectriques a longtemps été l'apanage des électrotech-niciens, qui cherchaient à améliorer les disjoncteurs de forte puissance. En observant que les électrodes s'érodaient lors de chaque décharge, les ingénieurs ont pensé à exploiter ce phénomène pour améliorer l'usinage des métaux. C'est ainsi que l'usinage par électro érosion est apparu et a été développé pour atteindre aujourd'hui des records de résolution, avec une précision de l'ordre du micromètre au niveau industriel. Des dispositifs basés sur des microscopes à force atomique permettent même d'obtenir aujourd'hui des nanotrous en laboratoire. La pointe de l'instrument est alors utilisée comme électrode de haute tension pour éroder la contre-électrode à très petite échelle. Plus récemment, ce domaine a connu un regain d'intérêt en raison de l'apparition de nouvelles applications potentielles comme la synthèse de nanoparticules, l'oxydation électrolytique d'alliages métalliques ou le traitement de l'eau et des effluents. Ces développements s'accompagnent d'une redécouverte de ces décharges à haute pression, dont la physique nécessite d'être approfondie. En effet, les décharges dans les liquides créées entre deux électrodes ont un comportement fondamentalement stochastique : il est impossible de reproduire une décharge exactement à l'identique, effet qui a longtemps limité leur étude par détection synchrone. Cela résulte princi-palement de l'étape liée à l'injection de charges, qui sera décrite ultérieurement. Néanmoins, l'apparition de générateurs d'impulsions nanoseconde et même pico-seconde fonctionnant à haute tension (de 1 à 100 kV suivant les cas) a permis d'améliorer grandement la caractérisation de ces milieux ionisés, comme nous allons le voir. Phénoménologie des décharges La formation d'une décharge dans un liquide diélectrique implique un nombre important de phénomènes, de sorte qu'en démêler l'écheveau est particulièrement complexe. On distingue cinq étapes prin-cipales au cours d'un événement, chacune associée à un comportement électrique spécifique (fig. 1) : 1) La première phase consiste à mettre le liquide sous contrainte mécanique, en élevant la tension jusqu'à une valeur qui permet de réaliser la rupture du diélectrique. Typiquement, pour l'eau distillée, le champ électrique de claquage est de l'ordre de quelques MV.cm-1. 2) La phase de préclaquage correspond à une injection de charges du métal vers le liquide, qui se traduit par des oscillations de la tension électrique (encart, fig. 1). Elle peut s'accompagner, sur des temps de quelques dizaines de nanosecondes, d'un mouvement du liquide induit par un phénomène électrohydrodynamique (distinct du phénomène d'électrostriction qui se produit sur des temps plus courts, inférieurs à la nanoseconde), au cours duquel des particules ionisées lourdes vont se déplacer sous l'effet du champ électrique et déplacer avec elles le liquide alentour. Cette étape contribue, par des mécanismes différents selon la vitesse de montée en tension, à créer une zone de moindre densité, qui va permettre l'amorçage de la décharge. 3) La phase d'amorçage correspond à l'émission par le liquide comprim

Sub-micro a-C:H patterning of silicon surfaces assisted by atmospheric-pressure plasma-enhanced chemical vapor deposition

International audienceMicro and nano-patterning of surfaces is an increasingly popular challenge in the field of the miniaturization of devices assembled via top-down approaches. This study demonstrates the possibility of depositing sub-micrometric localized coatings-spots, lines or even more complex shapes-made of amorphous hydrogenated carbon (a-C:H) thanks to a moving XY stage. Deposition was performed on silicon substrates using chemical vapor deposition assisted by an argon atmospheric-pressure plasma jet. Acetylene was injected into the post-discharge region as a precursor by means of a glass capillary with a sub-micrometric diameter. A parametric study was carried out to study the influence of the geometric configurations (capillary diameter and capillary-plasma distance) on the deposited coating. Thus, the patterns formed were investigated by scanning electron microscopy and atomic force microscopy. Furthermore, the chemical composition of large coated areas was investigated by Fourier transform infrared spectroscopy according to the chosen atmospheric environment. The observed chemical bonds show that reactions of the gaseous precursor in the discharge region and both chemical and morphological stability of the patterns after treatment are strongly dependent on the surrounding gas. Various sub-micrometric a-C:H shapes were successfully deposited under controlled atmospheric conditions using argon as inerting gas. Overall, this new process of micro-scale additive manufacturing by atmospheric plasma offers unusually high-resolution at low cost

Interaction of (3-Aminopropyl)triethoxysilane With Late Ar-N 2 Afterglow: Application to Nanoparticles Synthesis

International audienceFrom results of in situ FTIR absorption and optical emission spectroscopy, the interaction of (3‐aminopropyl)triethoxysilane (APTES) with late Ar-N2 afterglow is shown to occur mainly with N atoms. They react preferentially with carbon from CHx groups in the precursor, leading to the synthesis of CN bonds. No production of NH radical is observed, demonstrating the lack of direct reaction between active nitrogen and APTES. The -NH2 group is not affected by the afterglow. One of the C-C bonds of the propylamine group in the APTES is likely broken. These nanoparticles present secondary amides due to reactions with active nitrogen. They are amorphous and react in air to produce a salt

Carbonitruration des aciers faiblement alliés : réponses à la trempe et au revenu

International audienceLes réponses mécanique et métallurgique de deux aciers faiblement alliés à l'introduction de carbone et d'azote ont été étudiées. Pour cela, des traitements de carbonitruration, de cémentation et de nitruration austénitique à pression atmosphérique ont été réalisés à une température de 1173 K en employant des atmosphères à base de CO + H2 et/ou NH3. Le logiciel Thermo-Calc [AND02] a permis d'estimer la quantité d'azote en solution solide dans l'austénite juste avant la trempe. L'azote en solution est considéré comme complétant le carbone dans l'établissement de la dureté après trempe. Les résultats montrent un bon accord avec le modèle de Norstrom [NOR76] qui prédit une relation linéaire entre la racine carrée de la fraction atomique des interstitiels et la micro-dureté Vickers mesurée. Après revenu, la nitruration austénitique seule réussit à établir en surface un niveau de dureté équivalent à celui d'un état trempé. Cela est attribué à une précipitation secondaire au-dessus d'une certaine température critique située entre 453 K et 573 K

White paper on the future of plasma science and technology in plastics and textiles

International audienceThis white paper considers the future of plasma science and technology related to the manufacturing and modifications of plastics and textiles, summarizing existing efforts and the current state-of-art for major topics related to plasma processing techniques. It draws on the frontier of plasma technologies in order to see beyond and identify the grand challenges which we face in the following 5–10 years. To progress and move the frontier forward, the paper highlights the major enabling technologies and topics related to the design of surfaces, coatings and materials with nonequilibrium plasmas. The aim is to progress the field of plastics and textile production using advanced plasma processing as the key enabling technology which is environmentally friendly, cost-efficient, and offers high-speed processing

Diagnostics et modélisation du nettoyage de surface par une post-décharge micro-ondes argon-azote

NANCY/VANDOEUVRE-INPL (545472102) / SudocSudocFranceF

Revêtements minces Zn-Si-O et Ti-Si-O (élaboration au moyen d'un procédé plasma hybride pulvérisation cathodique-PECVD et caractérisation)

Ce travail s intéresse à la synthèse de films minces composites Zn-Si-O et Ti-Si-O à l aide d un procédé hybride combinant le dépôt de silice par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) à partir du précurseur organométallique hexaméthyldisiloxane (HMDSO-Si2C6H180), et la pulvérisation réactive de zinc ou de titane. L élaboration de revêtements dont la composition s échelonne d un oxyde métallique ZnOx ou TiOx à la silice est rendue possible en agissant sur le débit du précurseur. L ajout de silicium dans le revêtement fait évoluer sa morphologie de colonnaire à dense. De plus un phénomène de compétition entre les composantes PECVD et pulvérisation du procédé est mis en évidence. Ainsi la mesure des vitesses de dépôt en fonction du débit d HMDSO permet de déterminer les valeurs de débits critiques de précurseurs à partir desquelles le dépôt de silice par PECVD est initié, et pour lesquelles le recouvrement de la cible par le dépôt de silice se produit. Les caractérisations des revêtements montrent que ceux-ci sont constitués, dans une zone proche de l interface avec l acier d un mélange d oxydes non stoechiométriques qui diffère de manière importante d un mélange ZnO+SiO2 ou TiO2+SiO2. Pour les revêtements de type Ti-Si-O le titane est en excès dans la zone proche de l interface tandis que dans les revêtements de type Zn-Si-O le silicium est en excès. On observe alors une décroissance progressive de la concentration atomique respectivement de titane et de silicium lorsqu on approche de la surface du revêtement. Ces évolutions peuvent être reliées à un effet de l augmentation de la température dans la première phase de l élaboration, qui agit sur la cinétique de dépôt par PECVD et conditionne l état de contamination de la cibleThe present work deals with the synthesis of Zn-Si-O and Ti-Si-O composite thin films by a hybrid process. The coatings are prepared by combining PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) of silicon oxide from hexamethyldisiloxane (HMDSO-Si2C6H180) and reactive sputtering of a zinc or a titanium target. Any composition of the deposited layer can be obtained from zinc oxide or titanium oxide to silicon oxide, by controlling the HMDSO flow rate in the reactor. The morphologies evolve from columnar to dense by adding silicon in the coating. Moreover, a competitive deposition process takes place between PECVD and sputtering. The critical flow rates above which the PECVD silicon oxide deposition takes place on the substrate and on the target can be described from measurements of the thin film deposition rates as a function of the HMDSO flow rate. The coating caracterisations show that they are, near the coating-substrate interface, made of a mixture of non-stoechiometric oxides whose composition is different from a ZnO+SiO2 or a TiO2+SiO2 mixing. Titanium and silicon are in excess near the coating-substrate interface, respectively in the Ti-Si-O and Zn-Si-O thin films. Then the atomic concentrations of titanium and silicon progressively decrease when reaching the surface of the thin film. These behaviours are correlated with an increase of the temperature during the first phase of deposition that increases the PECVD deposition kinetics and determines the contamination state of the targetNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Contrôle de la fonctionnalisation de surface de revêtements obtenus par PECVD à partir d'un composé organosilicié cyclique

Ces travaux se proposent d étudier le potentiel de la polymérisation plasma d un composé organosilicié cyclique pour répondre aux besoins technologiques variés en fonctionnalisation de surface. Il est montré l influence relative de paramètres opérationnels critiques sur la cinétique et les régimes de croissance du matériau. Ces paramètres régissent en grande partie la conformation du polymère plasma qui en déterminera les propriétés. Ainsi, il est possible d obtenir des surfaces de basse énergie, 18 mJ.m-2 et de haute énergie, 68 mJ.m-2, en fonction des conditions de synthèse. Il est montré comment la nature cyclique de la conformation du polymère peut, de manière surprenante, contrôler finement les propriétés d hystérésis de mouillage de la surface lorsque le procédé de synthèse est en régime d oligomérisation. Enfin, l intérêt pratique d un tel procédé est illustré par quelques exemples applicatifs révélant le potentiel de ces matériaux, les polydiméthylsiloxanes cycliques plasmaThe aim of this work is to study the potential of plasma polymerization of a cyclic organosilicon compound to supply the various needs in surface functionnalization. Plasma polymerization kinetics and growth modes depend on critical process parameters. These parameters mainly govern the conformation of the plasma polymer which determines its bulk properties. These bulk properties influence the surface properties. Using the present process, low surface energy, 18 mJ.m-2, and high surface energy, 68 mJ.m-2, could be obtained depending on the synthesis conditions. The cyclic nature of the polymer conformation surprisingly control the wetting hysteresis properties of the surface with high accuracy when the process works in the oligomerization growth mode. Finally, the interest of such a process is illustrated with some examples of applications showing the potential of these materials, i.e. the cyclic plasma polydimethylsiloxanesNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Plasmas Froids : Systèmes d’analyse. Modélisation et Rayonnement

pour le champs 'auteurs', les Directeurs de publications apparaissent en premier puis le Directeur de collection.International audienceP. 11|I, Physique et applications atmosphériques des filaments de plasma générés par des impulsions laser ultrabrèves / Jérôme Kasparian, Jean Pierre Wolf.|II, Systèmes d analyse|P. 53|II-1, Spectroscopie d émission optique sur plasma induit par laser : Principe et applications / Patrick Mauchien, Catherine Gallou, Jean Luc Lacour, Laurent Salmon|P. 67|II-2, Spectroscopie de fluorescence induite par diodes laser : Application au diagnostic des plasmas / Stéphane Mazouffre|P. 97|II-3, Un capteur de flux d énergie dans les plasmas / A.-L. Thomann, N. Semmar, R. Dussart, L. Bedra, J. Mathias, Y. Tessier et S. Mazouffre|III, Modélisation|P. 121|III-1, Modélisation de la photoionisation dans les plasmas d air non-thermiques à la pression atmosphérique / Anne Bourdon, Sébastien Célestin, Julien Capeillère et Pierre Ségur|P. 151|III-2, Modélisation des plasmas produits par interaction laser-matière / Tatiana E. Itina|IV, Rayonnement - Lampes - Chimie|P. 173|IV-1, Propriétés et transferts radiatifs dans les plasmas / M.Y. Perrin, A. Soufiani, Ph. Riviere|P. 205|IV-2, Modifications induites en surface de polymères par traitement laser / Patricia Laurens, Sophie Petit|P. 223|IV-3, Lampes fluorescentes sans mercure, à la recherche de l efficacité énergétique / Eric Robert, Sébastien Point, Sébastien Dozias, Christophe Cachoncinlle, Raymond Viladrosa et Jean Michel Pouvesle|P. 245|IV-4, Sources plasmas de rayonnement X créées par laser / Fabien Dorchies|V, Plasmas thermiques et chauds.|P. 285|V-1, Importance du rayonnement dans les procédés thermiques industriels / Yann Cressault, Philippe Teulet, Jean-Jacques Gonzalez, Alain Gleizes|P. 327|V-2, La spectroscopie optique appliquée à l'étude des disjoncteurs / Dunpin Hong, Jean-Marc Bauchire et François Gentils|P. 351|V-3, Exemples de micro plasmas à haute densité : Electroérosion et ouverture de contacts électriques / Jean-Luc Dorier, Antoine Descoeudres, Christoph Hollenstein|P. 377|V-4, Chauffage et génération de courant par ondes dans les tokamaks / Gérard Bonhomm