Transport / adsorption / diffusion / agrégation d'atomes pulvérisés par plasma dans les matériaux poreux. Expériences et modélisations (2012)

Le dépôt sur substrats à géométrie complexe est une thématique à fort potentiel scientifique et applicatif, comme en témoigne la création récente d'un Groupement de Recherche du CNRS (GdR 3184 SurGeCo " Mécanismes de dépôt par voie gazeuse sur des Surfaces à Géométrie Complexe, http://surgeco.grenoble-inp.fr/). Le domaine des films catalytiques qui requièrent de grandes surfaces spécifiques destinées à maximiser le nombre de sites actifs pour la catalyse des réactions chimiques, est en pleine expansion. L'essor des technologies plasmas froids (pulvérisation plasma en particulier, mais aussi le dépôt par voie chimique en phase vapeur assisté par plasma (PA ou PE-CVD), dépôt à la pression atmosphérique, dépôt par ablation laser ..., et l'éventuelle combinaison de ces techniques) dans le domaine en est une des raisons. Ces techniques d'élaboration de couches minces visent soit à déposer uniquement le catalyseur, soit le catalyseur avec son support par procédés de co-élaboration [1-6]. L'une des propriétés particulières des matériaux supports de catalyseurs est d'avoir une très grande surface spécifique que l'on mesure en m2.g-1. Pour illustrer la signification de cette grandeur, on peut faire le raisonnement suivant : le graphite a une densité d'environ 2 g.cm-3. Un cube de graphite de côté a = 1 cm a donc une masse de 2 g. Sa surface est de 6a2 = 6 cm2. Donc la surface spécifique est de 3 cm2.g-1. Supposons que, dans un cube de 1 cm de côté, soient empilées, selon un réseau cubique simple, des sphères de diamètre d=100nm. Dans ce cube, il y aura donc (1/(100 10-7))3 = 1015 sphères de graphite de surface d2 = 3.14 10-10 cm2 et donc la surface totale développée est donc 3.14 10-10 x 1015 = 3.14 105 cm2 que l'on compare aux 6 cm2. L'accroissement de surface est donc d'environ 50 000 et par conséquent le nombre de sites réactionnels actifs est considérablement accru. La surface spécifique de cet empilement est donc 3 x 50 000 cm2.g-1= 15 m2.g-1. L'autre paramètre important est la porosité p, rapport du volume vide au volume total V. Dans ce cas simple, elle est donnée par p= 1 - ΣVsphères/V = 1- (Nxd3/6)/V. Ce qui, dans l'exemple précédent, donne p = 48%. Le dépôt par voie plasma, en particulier par pulvérisation cathodique (magnétron ou autre), offre une occasion unique de s'intéresser au dépôt et au transport des espèces sur et dans le milieu poreux hôte. En effet, la pulvérisation cathodique fournit dans les configurations les plus courantes, une source d'atomes dont le flux, la distribution en énergie et angulaire peuvent être assez bien connus [7-9]. De plus, des modélisations de complexités variées permettent d'y accéder, au moins en première approximation. Afin de faire une large description de la méthodologie que l'on peut mettre en place pour décrire les mécanismes de dépôts/diffusion/croissance dans les milieux poreux assistés/induits par plasma, ce chapitre s'appuiera sur les travaux récents que nous avons menés sur le dépôt par pulvérisation cathodique de platine sur des couches poreuses de carbone, et de supports d'alumine constitués d'un réseau hexagonal de pores cylindriques traversants (" template d'alumine " ou AAO pour Anodized Aluminum Oxide). Le paragraphe suivant décrira les résultats expérimentaux, tandis que le troisième, portant sur un traitement à base d'équations de diffusion, sera proposé pour interpréter les expériences. Le quatrième paragraphe montrera les résultats issus de la Dynamique Moléculaire après un rappel de ses caractéristiques. Enfin, une conclusion terminera ce chapitre.