Description du sujet de thèse

Étude des phénomènes de croissance moléculaire menant à la nucléation de particules solides dans un plasma complexe à base d'hydrocarbure

Contexte de travail

Contexte
Les plasmas poussiéreux, appelés également plasmas complexes, qui se forment par décharge électrique dans des hydrocarbures présentent un intérêt majeur dans un grand nombre de domains allant de l'astrophysique aux procédés d'élaboration de nanosctructures ou de matériaux carbonés fonctionnels d'intérêt pour une grande variété de domaines applicatifs comme le biomedical, l'électronique ou l'énergie. Une des caractéristiques de ces plasmas hors équilibre est leur capacité à produire selon les conditions de décharge une grande variété de nanostructures, i.e., suies, fullerènes, polyynes, nanodiamants, etc. et de matériaux carbonés, carbones amorphe hydrogéné, diamants, graphites, etc. Ces plasmas sont en outre le siège d'une physico-chimie fort complexe avec différentes voies réactionnelles souvent couplées et dont l'efficacité est très sensible à la nature de la charge et aux conditions expérimentales. Il en résulte que les procédés mettant en jeu des plasmas poussiéreux pour la production de nanostructures carbonées fonctionnelles ne sont pas encore bien maitrisé. La mise en place de méthodes robustes permettant la production de manière très sélective et optimale d'un type bien défini de nanostructures nécessite encore un travail de recherche important. C'est dans ce contexte que se situe ce projet de recherche doctoral qui propose une étude fondamentale permettant une caractérisation fine de la physico-chimie ayant lieu dans de plasmas hors équilibre d'hydrocarbure siège d'une croissance moléculaire menant à la nucléation de particules solides.
Objectifs de la thèse
L'objectif de la thèse est de caractériser le comportement de plasmas à base d'hydrocarbures générés dans des torches micro-onde sous différentes conditions de décharge. Il s'agira en particulier, d'identifier expérimentalement différentes voies de croissance moléculaire pouvant avoir lieu dans ses plasmas, de cerner les caractéristiques locales du plasma permettant de promouvoir chacune de ses voies, et enfin les conditions macroscopiques de décharges permettant d'assurer les caractéristiques favorisant une voie de croissance donnée. Il s'agira enfin d'étudier les caractéristiques des nanostructures résultant de chaque voie de croissance et de corréler ces caractéristiques à celles des édifices moléculaires impliqués dans le mécanisme de croissance moléculaire menant à la nucléation.

Méthodologie
Le travail de thèse sera conduit sur une torche microonde qui a été développée, partiellement caractérisée au laboratoire [1] et démontré de réelles potentialités en termes d'élaboration de nanostructures carbonées fonctionnelles, notamment des nanoparticules de diamant. Le travail comprendra un volet expérimental qui occupera l'essentiel de la thèse et un volet de modélisation/simulation qui viendra en soutien pour l'interprétation des mesures ou en complément aux mesures expérimentales pour tester des voies/mécanismes de croissance moléculaires suggérés par les mesures expériences.
Le volet expérimental distingue trois grandes parties. La première s'appuyant sur des outils de diagnostic optiques de la décharge déjà mis en place dans l'équipe d'accueil visera essentiellement la mesure de températures rotationnelles, pouvant permettre de remonter à la température du plasma, d'espèces diatomiques comme C2, CH, H2, etc., le suivi actinométrique de certaines espèces atomiques ou moléculaires émissives, notamment l'hydrogène atomique, les radicaux C2 et CH, qui semble jouer un rôle déterminent dans les étapes d'initiation de la croissance moléculaire, et la mesure par fluorescence laser des concentrations relatives de ces espèces. La mise en œuvre de ces outils de diagnostics, notamment les diagnostics lasers, devraient permettre de remonter aux profils spatiaux et variations temporelles des températures et densités de radicaux primaires du plasma en fonction des conditions de décharge électriques. La deuxième partie du volet expérimental concerne l'identification d'espèces chimiques non- émissive de taille plus importantes et impliquées dans le processus de croissance moléculaire. On mettra en place dans ce cas un système de spectrométrie de masse permettant d'accéder in situ à la nature des espèces présente dans l'écoulement plasma à des pressions relativement élevées. Ce mode d'identification in situ sera validé par comparaison avec des mesures ex situ de spectrométrie de masse couplée à la chromatographie en phase gazeuse (GC-MS) sur des échantillons prélevés dans l'écoulement plasma. Une fois validées, les mesures de spectrométrie de masse in situ devraient permettre de suivre les variations relatives des densités de ces espèces en fonction des conditions de décharge électrique. Ces mesures permettront d'identifier les édifices moléculaires présents lors de la croissance moléculaire et de proposer des mécanismes de croissance moléculaire menant à la nucléation. La troisième partie du volet expérimental concerne l'analyse de la structure et la composition des nanoparticules formées à l'issu de l'étape de nucléation. On utilisera dans ce but les outils de microscopie électronique à balayage ou en transmission pour remonter à la structure, la spectrométrie Raman pour déterminer la nature des phases et la spectroscopie infrarouge pour identifier la nature des liaisons chimiques impliquée dans ces particules. Enfin nous effectuerons des analyses de GC-MS suer les extraits de ces nanoparticules dans un solvant organique. Ces analyses ont pour objectifs d'étudier/établir les corrélations entre composition de la phase gazeuse et des nanoparticules.
Ces corrélations vont guider le travail de recherche effectué dans le cadre du deuxième volet du projet doctoral. Elles accompagneront un travail de simulation numérique de la cinétique de croissance moléculaire pour identifier parmi les modèles de croissance moléculaire existants ceux qui sont le plus probables dans les conditions de décharge caractérisant la torche microonde. Ces travaux de simulation seront également utilisés pour estimer les constantes cinétiques de nouveaux processus-clés que pourraient éventuellement mettre en évidence les mesures de spectrométrie de masse.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Utilisation de sources lasers de classe IV

Informations complémentaires

Entrentien au USPN, Villetaneuse le Septembre 11 2023.
Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.