Compréhension des mécanismes réactionnels dans un procédé hybride de dépôt de couches minces nanocomposites couplant plasma et injection de solution colloïdale

Abstract

Ce travail de thèse se place dans le contexte du dépôt de couches minces nanocomposites par des procédés à plasma à basse pression assistés par aérosols. Cinq études ont été réalisées dans le but de comprendre les mécanismes fondamentaux propres à ce type de procédé. Dans un premier temps, l’étude de la croissance des couches minces nanocomposites par ellipsométrie spectroscopique in situ a montré que l’apport de matière à l’échantillon se faisait alternativement riche en matériau matrice, puis en nanoparticules. Par la suite, l’étude microscopique de la surface des échantillons et la simulation de l’évaporation des gouttelettes dans le plasma a permis d’identifier l’ébullition « flash » comme étant le mécanisme principal de pulvérisation des aérosols dans le plasma à basse pression. Dans un troisième temps, l’étude de l’interaction aérosol-surface a permis de mettre en évidence l’apparition de l’évaporation « stick-slip » puis de l’effet Leidenfrost sur les surfaces chaudes. Ensuite, des mesures de spectroscopie d’émission optique résolues en temps couplées à un modèle collisionnel-radiatif ont permis d’examiner l’interaction aérosol-plasma suite à l’injection pulsée de liquide dans un plasma d’argon. Ainsi, l’évolution temporelle des propriétés fondamentales du plasma ont été déterminées, mettant en évidence les variations de température électronique et de densité électronique provoquées par l’injection d’aérosol. Enfin, les connaissances tirées des études précédentes ont été mises en application lors de la synthèse de couches minces nanocomposites contenant des nanomatériaux de natures variées, à savoir des clusters moléculaires, des nanoparticules sphériques et des nanotubes de carbone. This work focuses on the growth of nanocomposite thin films using aerosol-assisted low-pressure plasma processes. Five studies were carried out with the aim of understanding the fundamental mechanisms involved in this specific category of processes. First, a study of nanocomposite thin film growth using in situ spectroscopic ellipsometry showed that the material input to the sample was alternately matrix- and nanoparticles-predominant. Second, so-called "flash" boiling was identified as the main mechanism for droplet formation in the low-pressure plasma, by confronting an evaporation model to the measured droplet size on the samples’ surface. Third, the study of aerosol-surface interaction revealed that hot surfaces lead to "stick-slip" evaporation and Leidenfrost-induced motion on hot surfaces. Then, time-resolved optical emission spectroscopy measurements coupled to a collisional-radiative model were used to look into the aerosol-plasma interaction after the pulsed injection of liquid into a low-pressure argon plasma. The evolution of fundamental plasma properties was determined, bringing to light the variations in electron temperature and electron density caused by aerosol injection. Finally, the insight gained from the previous studies has been applied to grow nanocomposite thin films containing various nanomaterials, namely molecular clusters, spherical nanoparticles, and carbon nanotubes.