Low and atmospheric pressure plasma processes to functionalize flat substrates and nanopowders with carboxylic groups

Thèse de l'étudiant: Doc typesDocteur en Sciences

Résumé

Cette thèse a pour objet l’étude de deux procédés plasma menant à la fonctionnalisation de nanopoudres et de substrats plans par des groupements carboxyliques respectivement à basse pression et à pression atmosphérique. La compréhension fondamentale des processus de dépôt, la comparaison de l’efficacité des deux techniques utilisées, ainsi que l’étude de la faisabilité du traitement plasma sur des particules de dimensions inférieures à 100 nanomètres constituaient les objectifs. L’application potentielle de ce travail est l’ajout de charges minérales nanométriques fonctionnalisées dans des matériaux composites. Pour les dépôts à basse pression, un réacteur plasma à couplage inductif a été développé et assemblé. Dans une atmosphère mêlant oxygène et vapeur d’hexaméthyldisilazane (HMDSN), il a été montré que des groupements carboxyliques peuvent êtres déposés à la surface de l’échantillon si le rapport oxygène/HMDSN dans la décharge gazeuse est suffisamment élevé. Des nanoparticules (diamètre inférieur à 100 nm) de carbure de silicium ont été traitées avec succès ; l’analyse XPS montre que quelques pourcents de groupements carboxyliques ont bien été greffés par le traitement plasma. Des clichés TEM révèlent que l’épaisseur de la couche déposée est d’environ 2 nm ; l’analyse ToF-SIMS montre cependant que la surface des nanoparticules n’a pas été recouverte de façon homogène. Les dépôts à pression atmosphérique ont été obtenus sur silicium à l’aide d’un réacteur DBD prototype tubulaire de 30 cm de long. Le mélange gazeux introduit contient deux précurseurs (MA - anhydride maléique - et VTMS -vinyltriméthoxysilane) ainsi qu’un gaz porteur, l’hélium ou l’argon. Les couches de copolymère MA-VTMS déposées contiennent plus ou moins de groupements carboxyliques, en fonction des paramètres de décharges utilisés. Il a été montré par XPS que, lorsque le MA se fragmente, la diminution de la concentration en fonctions -COOH s’accompagne d’un décalage du pic Si2p vers les hautes énergies : l’oxygène libéré oxyde donc le silicium contenu dans le VTMS. La fragmentation a pu être limitée en pulsant la décharge. Une fonctionnalisation homogène sur l’ensemble du réacteur a pu être obtenue en argon alors qu’en hélium, la longue durée de vie et la haute énergie des métastables n’ont permis une fonctionnalisation homogène que sur la moitié du réacteur. Au niveau de la morphologie des couches, le dépôt du film s’accompagne de formation de nanoparticules de SiOX, sauf pour les dépôts continus en argon. En vue d’une application à l’échelle industrielle, le développement d’une torche travaillant à pression atmosphérique est suggéré. Ce procédé permettrait de s’affranchir du coûteux système de pompage et d’utiliser comme gaz plasmagène l’azote, moins cher que l’hélium ou l’argon. De plus, le traitement des échantillons se ferait en post-décharge, ce qui est également le cas dans la DBD pulsée qui nous a permis de réduire la fragmentation des précurseurs et de mieux contrôler la structure du film déposé.
Date de réussite24 avr. 2009
langueAnglais
Institution diplomante
  • Université de Namur
SuperviseurStéphane Lucas (Jury), Jean-Jacques Pireaux (Promoteur), Patrick Choquet (Jury), Claus-Peter Klages (Jury) & Annick Van Hulsel (Jury)

mots-clés

  • Nanoparticles
  • Dielectric barrier discharge (DBD)
  • Plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD)
  • XPS
  • Radiofrequency inductive plasma
  • Plasma functionalization
  • Carboxylic functionalities
  • Plasma -enhanced chemical vapour deposition (PECVD)
  • Décharge à barrière diélectrique (DBD)
  • Nanoparticules
  • Plasma inductif radiofréquence
  • Fonctionnalisation plasma
  • Fonctions carboxyliques

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Low and atmospheric pressure plasma processes to functionalize flat substrates and nanopowders with carboxylic groups
Hody, H. (Auteur). 24 avr. 2009

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