Plasmas micro-ondes d'argon à la pression atmosphérique : diagnostics et applications au nettoyage de surfaces, Atmospheric pressure argon microwave plasmas : diagnostics and applications to surface cleaning

Cédric Noël

Description

Sous la direction de Thierry Belmonte
Thèse soutenue le 13 mai 2009: INPL
Les travaux présentés dans ce mémoire concernent l’étude des plasmas d’argon créés dans une cavité résonnante micro-ondes fonctionnant à la pression atmosphérique et leur application au nettoyage de surface. Tout d’abord, une étude des enjeux du nettoyage de surfaces industrielles est présentée ainsi qu’un état de l’art des solutions existantes et leurs limitations, mettant en évidence l’intérêt des plasmas comme alternative, notamment ceux fonctionnant en cavité résonnante micro-ondes à pression atmosphérique dont les particularités sont présentées. Dans le cas de l’argon, ces décharges présentent la particularité de ne pas être homogènes mais constituées de un ou plusieurs filaments de faibles diamètres, dépendant des conditions expérimentales. L’étude de la filamentation de ces décharges est l’objet du second chapitre où il a été mis en évidence les corrélations, dans le cas d’un filament unique, entre ses dimensions, sa température et la puissance dissipée et qu’il existait un seuil de puissance au-delà duquel la filamentation apparaissait. Une modélisation électromagnétique simple a été réalisée permettant de décrire l’influence des paramètres principaux de la décharge sur la filamentation. Le troisième chapitre présente les résultats de la caractérisation d’un filament d’argon par absorption laser en plasma continu et pulsé. L’effet de l’addition d’oxygène y est également présenté. Le dernier chapitre concerne l’étude de l’application des post-décharges micro-ondes à la pression atmosphérique créées dans des mélanges argon-azote et argon-oxygène au nettoyage de surface. On y étudie notamment l’interaction de ces post-décharges avec des molécules organiques modèles (acide stéarique et 1-octadécène). L’analyse de surface avec des techniques d’analyse d’extrême surface par spectrométrie de masse (ToF-SIMS et FTMS) a permis d’améliorer notre compréhension des mécanismes de nettoyage
-Spectrométrie de masse
-ToF-SIMS
-Post-décharge
-Plasma
-Pression atmosphérique
-Nettoyage de surface
-Cavité résonnante
-Filamentation
-Acide stéarique
-Argon
-Absorption laser
-1-octadécène
The present work deals with the study of argon microwave plasmas generated in resonant cavity at atmospheric pressure and their application to surface cleaning. First, a study of the aim of surface cleaning of industrial surfaces is presented, followed by a state of the art of existing solutions and their limitations, showing the interest of plasmas as an alternative, especially atmospheric pressure microwave resonant cavity plasmas. In the case of argon, these plasmas have the particularity to be inhomogeneous and constituted of one or many small diameter filaments, depending on experimental conditions. The study of the filamentation of these discharges is the subject of the second chapter. In the case of one filament, correlations have been evidenced between its size, its temperature and the dissipated power. A simple electromagnetic simulation allowed us to describe the influence of the main plasmas parameters on the filamentation process. The third chapter presents results from the characterisation of a single argon filament by the mean of diode laser absorption in continuous and pulsed plasma mode. The effect of oxygen addition is also studied. The last chapter deals with the study of the use of atmospheric pressure microwave post-discharges in argon-nitrogen or argon-oxygen mixtures for surface cleaning application. We studied the interaction of such post-discharges with model organic molecules (stearic acid and 1-octadecene). Surface analyses by the mean of extreme surface analysis techniques based on mass spectrometry (ToF-SIMS and FTMS) allow us to improve our understanding of cleaning mechanisms
-Xps
-ToF-SIMS
-Ftms
-Mass spectometry
-Stearic acid
Source: http://www.theses.fr/2009INPL020N/document

Sujets

• Spectrométrie de masse
• Pression atmosphérique
• Acide stéarique

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 75
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
N° attribué par la bibliothèque
Année 2008-2009 |_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|
PLASMAS MICRO-ONDES D’ARGON A LA PRESSION ATMOSPHERIQUE : DIAGNOSTICS
ET APPLICATIONS AU NETTOYAGE DES SURFACES
THESE
Présentée devant l’Institut National Polytechnique de Lorraine pour l’obtention du titre de
Docteur de l’I.N.P.L.
École Doctorale : Énergie, Mécanique, Matériaux
Discipline : Science et Ingénierie des Matériaux
Soutenue publiquement par
Cédric NOËL
le 13 mai 2009 devant la commission d’examen :
Président Henri-Noël MIGEON Professeur, CRPGL, Belvaux (LU)
André RICARD Directeur de Recherche, LAPLACE, Université Paul Sabatier, Toulouse (FR) Rapporteurs
Laurent THOMAS Professeur, PROMES, Perpignan (FR)
Patrick CHOQUET Docteur, CRPGL, Belvaux (LU) Examinateurs Nader SADEGHI Directeur de recherche, LSP, Université Joseph Fourier, Grenoble (FR)
Directeur de thèse Thierry BELMONTE Directeur de recherche, IJL, Nancy Université, Nancy (FR)
Co-directeur de thèse Gérard HENRION Directeur de recherche, IJL, Nancy Université, Nancy (FR)
Invités Véronique VACHE Docteur, Novelis Foil Innovation Center, Belvaux (LU)
Thèse préparée au sein de l’
Institut Jean Lamour, UMR CNRS 7198, Département Chimie et Physique des Solides et des Surfaces
Ecole des Mines de Nancy, Parc de Saurupt, CS14234, 54042 Nancy Cedex, FRANCE
et du
Centre de Recherche Public Gabriel Lippmann, Département Science et Analyse des Matériaux
41, rue du Brill, L-4422 Belvaux, LUXEMBOURG



i
REMERCIEMENTS
Ce manuscrit représente trois années de ma vie, voire quasiment quatre tout compte fait.
Bien qu'étant un effort personnel, un travail de thèse est rarement mené à bien sans recours à une
quelconque aide. Je tiens donc à exprimer ici mes plus sincères remerciements et ma profonde
gratitude à toutes celles et ceux qui ont pu contribuer directement ou indirectement à la progression
de ces travaux et qui m'ont également accompagné durant ces périodes enrichissantes pleines de
joies, de satisfactions et de réussites mais aussi de doutes et de remises en question. J'espère que
dans cet exercice délicat, personne ne sera oublié. Dans le cas contraire, je m'en excuse par avance.
Parmi toutes ces personnes, il y en a une que je tiens tout particulièrement à remercier :
mon directeur de thèse, Thierry Belmonte, pour son aide précieuse, son encadrement sans faille, sa
disponibilité, son enthousiasme pour les sciences et toute son aide pour l'amélioration de ce
manuscrit.
Je remercie également Gérard Henrion pour avoir co-dirigé cette thèse, pour son aide et ses
conseils concernant les diagnostics optiques et les nombreuses lectures et relectures de ma prose.
Mes remerciements vont également à David Duday (et son éternelle bonne humeur) et
Patrick Choquet pour avoir supervisé mes travaux lors de mon séjour luxembourgeois, leur
disponibilité et leurs conseils ainsi que tous les bons moments passés dans les murs du CRPGL.
Je remercie pour leur accueil, les directeurs des deux laboratoires dans lesquels ces travaux
ont été effectués, Henri-Noël Migeon pour le Centre de Recherche Public Gabriel Lippmann et Jean-
Phillipe Bauer pour feu le Laboratoire de Sciences et Génie des Surfaces ainsi que son prédécesseur
Henri Michel. Je tiens également à remercier les membres de deux équipes m’ayant accueilli, à
savoir l’équipe ESPRITS pour la partie des travaux effectuée à Nancy et le département SAM pour le
Luxembourg.
J'adresse également mes remerciements aux membres du jury pour avoir accepté de
prendre du temps afin d’évaluer mon travail. Je remercie Henri-Noël Migeon pour avoir accepté
d’assurer la présidence de ce jury, André Ricard et Laurent Thomas pour leur travail de rapporteur
ainsi que Patrick Choquet et Nader Sadeghi pour celui d’examinateur de cette thèse.
Je remercie l'équipe de Novelis Foil Innovation Center et plus spécialement Stéphane Verdier
pour nos fructueuses discussions des analyses ToF-SIMS et XPS ainsi que Véronique Vaché pour sa
participation au jury de thèse en tant qu’invitée.
Sans financement, cette thèse n'aurait pu être réalisée. Pour cela, je remercie le Fonds
National de la Recherche du Luxembourg pour son soutien financier.
ii
Je tiens également à remercier l'équipe analyse du CRPGL pour les mesures d'analyses de
surface. Je remercie notamment Laurent Nittler pour son aide précieuse et la réalisation de mesures
ToF-SIMS ainsi que Gilles Frache pour avoir pris le relais (et merci de m'avoir fait découvrir la FTMS !)
et Jérôme Guillot, Samia Ouarsighni et Sébastien François pour les analyses XPS et nos discussions
des résultats.
Merci à Francis Kosior pour son aide pour les calculs numériques et la résolution des divers
problèmes informatiques.
Je tiens aussi à remercier les personnes qui ont participé "dans l'ombre" au bon
déroulement de ces travaux. Ce sont les différents personnels techniques et administratifs des deux
laboratoires : Martine, Valérie, Isabelle, Régis, Chantale, Arnaud, Raphael et Jean-Luc.
Durant ces années, j'ai pu partager de très bons moments en compagnie des différents
doctorants, post-doctorants et autres que j'ai pu croiser que ce soit dans un bureau ou autour de la
machine à café. Je ne peux pas les citer tous ici mais je remercie tout particulièrement Rodrigo
(Merci pour tout ! Ca a été un réel plaisir de travailler avec toi ! Bonne continuation au Brésil),
Grégory M., l'équipe de co-voiturage Thionville-Belvaux : Rémi, Fred et Christophe, le reste du
bureau du CRPGL : Juliano, Hubert, Paul, Virginie, Maryline, Nicolas, et Brahim, et pour finir ceux que
j’ai retrouvés à mon retour à Nancy : Grégory A., Tony, Thomas, Cyril, Nolwenn, Carine, Maud,
Alexandre, Loic, …
Il y a aussi d'autres personnes, un peu bruyantes, qui m'ont parfois un peu (trop ?)
déconcentré dans mon travail, mais sans qui ces années n'auraient évidemment pas été les mêmes.
Je veux parler ici des membres de mon groupe, Acherusia, anciens et actuels : Alex, Soli, Rémi,
Angélique, Anne-Laure, Fabien, Julien et Nico.
Merci également à tous mes autres amis qui ont été présents et m'ont apporté leur aide aux
déménagements et fourni divers hébergements de fortune (Carole, Stéphane, Fanny, Pascal, …). Un
grand merci aussi pour Géraldine et la relecture des ces quelques lignes.
J'en arrive à la fin de cette tâche ardue qu’est l’écriture de ces remerciements en dédiant ce
manuscrit à ma famille : mon père Yves, ma mère Véronique, mes frères Jérémy et Cyril et mes
grands-parents Georges et Yvette. Merci pour tout.
Je terminerai par un remerciement général à destination de tous pour ces années de travail
et de bonne humeur. Je souhaite une bonne continuation à celles et ceux que je ne croiserai plus
aussi régulièrement et une bonne fin de thèse à mes amis doctorants.

Merci !

iii

“And be a simple kind of man
Be something you love and understand
Be a simple kind of man
Won’t you do this for me son, if you can ?”
“Simple Man”, Lynyrd Skynyrd, de l’album “(pronounced leh-nerd skin-nerd)”, 1973
iv


v

A mes parents et mes frères,

A mes grands-parents,

A tous ceux qui m’ont tant apporté durant toutes ces années.
vi


vii
TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GÉNÉRALE ...................................................................................