Étude fondamentale d’une Décharge à Barrière Diélectrique en N2 à la pression atmosphérique en régime de Townsend

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser une Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) à la pression atmosphérique dans l’azote en régime homogène. L’objectif est d’une part de mettre en évidence les différents paramètres fondamentaux de ces décharges (température électronique, densité électronique, densité d’espèces excitées et métastables) mais aussi leurs évolutions spatio-temporelles.  Dans ce contexte une électrode fractionnée a été réalisée afin de caractériser la décharge le long du flux de gaz et des mesures de spectroscopie d’émission optique résolues spatialement et temporellement ont été utilisées afin d’étudier la physico-chimie de ces décharges.  Des variations de tension de claquage et de courant de décharge ont pu être observées entre l’entrée et la sortie du réacteur plasma. Cette variation a pu être reliée à une modification de la population de métastables d’azote N2(A) le long du flux de gaz. De plus, aucune variation significative de la température électronique n’a été relevé. Dans ce travail, des effets d’étalement de la décharge de Townsend ont été mis en évidence grâce à une méthode simple et rapide d'estimation de la surface de décharge. La décharge s’initie d’abord en sortie à cause d’une plus forte population d’espèces énergétiques par rapport à l’entrée. Les mauvaises estimations de surface de décharge conduisent à de mauvaises estimations des valeurs des capacités du circuit équivalent et donc à des paramètres électriques tels que le courant de décharge et la tension appliquée au gaz erronés. Ceci peut donner lieu à de mauvaises interprétations de la physique des DBD. La méthode proposée peut s’appliquer avec ou sans électrode fractionnée ainsi qu’en présence d’espèces réactives appropriées pour le dépôt de couches minces fonctionnelles et multifonctionnelles. The objective of this master thesis is to characterize a Dielectric Barrier Discharge (DBD) at atmospheric pressure in nitrogen gas in a homogeneous regime. The objective is on the one hand to highlight the different fundamental parameters of these discharges (electronic temperature, electronic density, density of excited and metastable species) but also their spatio-temporal evolutions. In this context a structured electrode was made to characterize the discharge along the gas flow lines as well as optical emission spectroscopy measurements to study the physical chemistry of these discharges. Variations in breakdown voltage and discharge current could be observed between the entrance and the exit of the plasma reactor. This variation could be related to a change in the metastable population of nitrogen N2(A) along the gas flow. In addition, no significant variation in the electronic temperature was noted. In this work, spreading effects of the Townsend discharge were highlighted by a simple and quick method of estimating the discharge area. The discharge is initiated at the exit due to a larger population of energy species compared to the entrance. Wrong discharge area estimates lead to poor estimates of capacitance values of the equivalent circuit and thus to incorrect electrical parameters such as discharge current and gas voltage. This can lead to misinterpretations of DBD physics. The proposed method can be applied with or without fractional electrode, and also in the presence of reactive species suitable for thin-film deposition.

Keyphrases: DBD, Décharge homogène, Pression atmosphérique, Caractéristiques courant tension, Spectroscopie d'émission optique, Circuit équivalent, Effet mémoire, DBD, Homogeneous discharge, Atmospheric pressure, Current voltage characteristics, Optical emission spectroscopy, Equivalent circuit, Memory effect