Chemistry and physics of plasma polymerization probed by mass spectrometry

Thèse de l'étudiant: Doc typesDocteur en Sciences

Résumé

Aujourd’hui, la fabrication de nouveaux matériaux est au centre de notre économie. Une stratégie consiste à partir des matériaux du quotidien, bien connus de nos industries et déjà produits en masse, et de les modifier en déposant par-dessus une fine couche mince d’un matériau différent. Parmi les techniques de dépôt, celles utilisant les plasmas – gaz ionizés ou 4e état de la matière – ont de nombreux avantages : le revêtement déposé est très adhérent, très couvrant, très uniforme et ses propriétés peuvent adaptées sur une large gamme.

Le présent travail a investigué le dépôt de couches minces plastiques par polymérisation plasma à basse pression dans un réacteur radiofréquence à couplage de puissance inductif planaire. Les monomères étudiés sont le styrène (C8H8), le benzène (C6H6), l’éthylène (C2H4) et l’acétylène (C2H2), qui sont des purs hydrocarbones, mais également le méthacrylate de méthyl (C5H8O2 - MMA) qui contient de l’oxygène. Les produits non chargés de leurs plasmas ont été analysés par spectrométrie de masse (MS). Dans le cas du styrène et du MMA, la composition chimique des polymères a été mesurée par spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) et le taux de dépôt par profilométrie. Les principaux résultats de la thèse sont à la fois d’intérêt pour la méthode d’analyse mais aussi pour la compréhension du procédé :
• Un nombre jamais reporté de produits non-chargés est détecté dans les cinq plasmas grâce à l’utilisation particulière de l’ionisation par impact électronique à basse énergie. La production des effluents peut être expliquée par des radicaux libres carbonés de petite taille et contenant peu d’hydrogène. Concernant le MMA, les radicaux contenant de l’oxygène ne semblent pas participer majoritairement au procédé.
• Les pressions partielles des principaux produits ont été quantifiées par MS dans les plasmas de styrène, benzène, éthylène et acétylène. La variation de la puissance du plasma a révélé la production systématique et en grande quantité d’hydrogène et d’acétylène. De nouveaux effets dus à l’hydrogène sont proposés pour expliquer la consommation inférieure de l’éthylène par rapport aux trois autres monomères.
• La quantification des flux partiels des produits stables est reportée pour la première fois pour les plasmas pompés par piège froid. La quantité d’hydrogène produite est démontrée être bien moindre que celle déduite des mesures de pression partielle.
• Des transitions du couplage de puissance ou transitions EH sont observées pour les monomères menant à une faible production d’hydrogène. L’effet de la pression sur ces transitions est discuté pour la première fois pour les plasmas polymérisant en flux continu.

En résumé, le présent travail a développé une méthode complète pour détecter et quantifier les produits non-chargés de la polymérisation par plasma. Son application a révélé une part de la chimie et de la physique du plasma des monomères hydrocarbonés et contenant de l’oxygène. Les résultats ouvrent la voie sur la corrélation de cette chimie avec les films minces polymères déposés par le plasma.
Date de réussite2 sept. 2014
langueAnglais
Institution diplomante
  • Université de Namur
SuperviseurLaurent Houssiau (Promoteur), Jean-Jacques Pireaux (Copromoteur), Achim VON KEUDELL (Jury), Rony Snyders (Jury) & François Reniers (Jury)

mots-clés

  • Plasma Polymerization
  • Spectrométrie de masse
  • Styrène
  • Benzène
  • Ethylène
  • Acétylène
  • Méthyle méthacrylate
  • couche mince
  • matériau
  • Quantification
  • Polymère plasma

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Chemistry and physics of plasma polymerization probed by mass spectrometry
Gillon, X. (Auteur). 2 sept. 2014

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