Une étape cruciale dans la fabrication des MEMS de haute fréquence est la gravure par plasma de la couche mince d’AlN de structure colonnaire agissant comme matériau piézoélectrique. Réalisé en collaboration étroite avec les chercheurs de Teledyne Dalsa, ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant la cinétique ainsi que la formation de dommages lors de la gravure de l’AlN dans des plasmas Ar/Cl2/BCl3. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de l’influence des conditions opératoires d’un plasma à couplage inductif sur la densité des principales espèces actives de la gravure, à savoir, les ions positifs et les atomes de Cl. Ces mesures ont ensuite été corrélées aux caractéristiques de gravure, en particulier la vitesse de gravure, la rugosité de surface et les propriétés chimiques de la couche mince. Dans les plasmas Ar/Cl2, nos travaux ont notamment mis en évidence l’effet inhibiteur de l’AlO, un composé formé au cours de la croissance de l’AlN par pulvérisation magnétron réactive et non issu des interactions plasmas-parois ou encore de l’incorporation d’humidité dans la structure colonnaire de l’AlN. En présence de faibles traces de BCl3 dans le plasma Ar/Cl2, nous avons observé une amélioration significative du rendement de gravure de l’AlN dû à la formation de composés volatils BOCl. Par ailleurs, selon nos travaux, il y aurait deux niveaux de rugosité post-gravure : une plus faible rugosité produite par la présence d’AlO dans les plasmas Ar/Cl2 et indépendante de la vitesse de gravure ainsi qu’une plus importante rugosité due à la désorption préférentielle de l’Al dans les plasmas Ar/Cl2/BCl3 et augmentant linéairement avec la vitesse de gravure. / A crucial step in the fabrication of high-frequency MEMS is the etching of the columnar AlN thin film acting as the piezoelectric material. Realized in close collaboration with researchers from Teledyne Dalsa, the objective of this master thesis is to better understand the physico-chemical mechanisms driving the etching kinetics and damage formation dynamics during etching of AlN in Ar/Cl2/BCl3 plasmas. In the first set of experiments, we have studied the influence of the operating parameters of an inductively coupled plasma on the number density of the main etching species in such plasmas, namely positive ions and Cl atoms. These measurements were then correlated with the etching characteristics, in particular the etching rate, the surface roughness, and the chemical properties of the AlN layer after etching. In Ar/Cl2 plasmas, our work has highlighted the inhibition effect of AlO, a compound formed during the AlN growth by reactive magnetron sputtering and not from plasma-wall interactions or from the incorporation of moisture in the columnar nanostructure of AlN. In presence of small amounts of BCl3 in the Ar/Cl2 plasma, we have observed a significant increase of the etching yield of AlN due to the formation of volatile BOCl compounds. Furthermore, our work has demonstrated that there are two levels of roughness following etching: a lower roughness produced by the presence of AlO in Ar/Cl2 plasmas which is independent of the etching rate and a larger roughness due to preferential desorption of Al in Ar/Cl2/BCl3 plasmas which increases linearly with the etching rate.

En lien avec l’avancée rapide de la réduction de la taille des motifs en microfabrication, des processus physiques négligeables à plus grande échelle deviennent dominants lorsque cette taille s’approche de l’échelle nanométrique. L’identification et une meilleure compréhension de ces différents processus sont essentielles pour améliorer le contrôle des procédés et poursuivre la «nanométrisation» des composantes électroniques. Un simulateur cellulaire à l’échelle du motif en deux dimensions s’appuyant sur les méthodes Monte-Carlo a été développé pour étudier l’évolution du profil lors de procédés de microfabrication. Le domaine de gravure est discrétisé en cellules carrées représentant la géométrie initiale du système masque-substrat. On insère les particules neutres et ioniques à l’interface du domaine de simulation en prenant compte des fonctions de distribution en énergie et en angle respectives de chacune des espèces. Le transport des particules est effectué jusqu’à la surface en tenant compte des probabilités de réflexion des ions énergétiques sur les parois ou de la réémission des particules neutres. Le modèle d’interaction particule-surface tient compte des différents mécanismes de gravure sèche telle que la pulvérisation, la gravure chimique réactive et la gravure réactive ionique. Le transport des produits de gravure est pris en compte ainsi que le dépôt menant à la croissance d’une couche mince. La validité du simulateur est vérifiée par comparaison entre les profils simulés et les observations expérimentales issues de la gravure par pulvérisation du platine par une source de plasma d’argon. / With the reduction of feature dimensions, otherwise negligible processes are becoming dominant in microfabricated profile evolution. Improved understanding of these different processes is essential to improve the control of the microfabrication processes and to further decrease of the feature size. To help attaining such control, a 2D feature scale cellular simulator using Monte-Carlo techniques was developed. The calculation domain is discretized in square cells representing empty space, substrate or mask of the initial system. Neutral and ion species are inserted at simulation interface from their respective angular and energy distributions functions. Particles transport to the feature surface is calculated while taking into account ion reflection on sidewall and neutral reemission. The particles-surface interaction model includes the different etching mechanisms such as sputtering, reactive etching and reactive ion etching. Etch product transport is also taken into account as is their deposition leading to thin film growth. Simulation validity is confirmed by comparison between simulated profiles and experimental observations issued from sputtering of platinum in argon plasma source.

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Ce mémoire est la conclusion d'une maîtrise en double diplomation internationale entre l'université Toulouse 3 Paul Sabatier en France et l'université de Montréal au Canada. Le but de cette collaboration est la meilleure compréhension des décharges Sparks dans les liquides diélectriques, ainsi que des phénomènes qui y sont liés. La première partie du projet de recherche, effectuée à Toulouse au laboratoire LAPLACE, s'est concentrée sur l’influence du matériau des électrodes sur le comportement de la décharge, en particulier les caractéristiques courant-tension et la dynamique de la bulle de cavitation via imagerie rapide. Cette partie de travail est incluse dans ce mémoire sous forme d’une Annexe, et nous focalisons l’attention du lecteur uniquement sur les travaux réalisés dans la deuxième partie. En effet, en utilisant une source impulsionnelle de tension, nous avons étudié l’évolution statistique des caractéristiques électriques des décharges Sparks dans différents liquides diélectriques et sous différentes conditions expérimentales, qu'elles soient électriques, géométriques, ou bien liées aux matériaux utilisés. Après une préparation minutieuse des conditions d’une expérience donnée, les impulsions de haute tension ont été appliquées et les caractéristiques des décharges ont été enregistrées. Les enregistrements des caractéristiques électriques, dès la première dé- charge jusqu’à un moment où il n’est plus possible d’avoir des décharges, ont été analysés à l’aide d’un algorithme afin de remonter aux propriétés de chaque décharge, soient la probabilité que la décharge ait eu lieu, la tension de claquage, le courant de décharge, la charge injectée, l’énergie injectée, etc. L’évolution temporelle de ces paramètres ont révélé certaines informations extrê- mement utiles pour les considérer dans les procédés qui utilisent les décharges Sparks dans les liquides à haute répétition, en particulier dans la synthèse de nanomatériaux. / This thesis is the conclusion of a master's degree in an international double graduation between Université Toulouse Paul Sabatier in France and Université de Montréal in Canada. The aim of this collaboration is to better understand the operation of Spark discharges in dielectric liquids, as well as other phenomena linked to it. The first part of this research project, conducted at Toulouse, LAPLACE laboratory, was focused on the influence of the electrode material on the discharge behaviour, in particular the current and voltage waveform and the dynamic of a cavitation bubble monitored with fast imaging technique. This part of the work is included in the thesis as an Annex to focus the reader’s attention only on the work realized in Montréal. Indeed, using a high voltage pulser, we studied the statistical evolution of the electrical characteristics of Sparks discharges in different dielectric liquids and under various experimental conditions, whether they are electrical, geometrical, or related to the material of utilized electrode. After a fine preparation of the conditions for one experience, the high voltage pulses were applied, and discharges were occurred. The acquisition of the discharge electrical characteristics, from the first one to the last one, were analyzed using a home-made algorithm to access the properties of every discharge, i.e. the probability of discharge occurrence, the breakdown voltage, the discharge current, the injected charge, the injected energy, etc. The temporal evolution of those parameters revealed some extremely useful trends to be considered in the processes utilizing in-liquid Spark discharges at high repetition rate, such as in nanomaterial synthesis.

Les décharges Sparks sont des décharges électriques transitoires avec une courte durée de vie. Par rapport à son initiation en milieu gazeux, l’initiation de ce type de décharges dans un liquide diélectrique induit de nouveaux phénomènes physico-chimiques dans le plasma et aux interfaces plasma-liquide et plasma-électrodes. Depuis une vingtaine d’années, la recherche scientifique exploite les propriétés de ces décharges pour des applications diverses : dépollution de liquide, synthèse de nanoparticules, usinage par électro-érosion, etc. Dans ce contexte, ce mémoire a pour objectif d’apporter une meilleure compréhension de la physique des décharges Sparks dans les liquides diélectriques. Les décharges dans les liquides se caractérisent par un comportement stochastique fort. Des études statistiques d’un nombre important de décharges sur les caractéristiques électriques ont été effectuées en fonction de différents paramètres. Ces paramètres sont la distance inter-électrodes, la nature des électrodes ainsi que la polarité de la tension appliquée. L’acquisition des courbes courant-tension de chaque décharge permet de déterminer ses propriétés électriques, soient la tension de claquage, le courant de la décharge, le délai de claquage, la charge injectée, la probabilité de claquage, etc. L’influence d’un champ magnétique externe, en particulier son orientation par rapport à l’axe des électrodes, sur les caractéristiques de la décharge a ensuite été explorée. L’étude des interactions plasma-électrode en fonction de l’orientation du champ magnétique a été réalisée en analysant des images de la dispersion des impacts créés par les décharges sur la contre-électrode et de l’érosion de la pointe. De plus, nous avons démontré que la nature du matériau des électrodes, en particulier ses propriétés magnétiques, influe grandement le taux d’érosion de celles-ci. Les résultats rapportés dans ce mémoire contribueront non seulement à l’avancement de la physique des décharges dans les liquides, mais aussi au développement / optimisation des applications dans des différents domaines technologiques. / Spark discharges are transient electric discharges with a short lifetime. Compared to its initiation in a gaseous medium, the initiation of this type of discharges in a dielectric liquid induces new physico-chemical phenomena in the plasma and at the plasma-liquid and plasma-electrode interfaces. For about twenty years, scientific research has been exploiting the properties of these discharges for various applications: liquid depollution, nanoparticle synthesis, electro-erosion machining, etc. In this context, this thesis aims to provide a better understanding of the physics of Sparks discharges in dielectric liquids. Discharges in liquids are characterized by a strong stochastic behavior. Statistical studies of a large number of discharges on the electrical characteristics have been performed as a function of different parameters. These parameters are the inter-electrode distance, the nature of the electrodes and the polarity of the applied voltage. The acquisition of the current-voltage curves of each discharge allows to determine its electrical properties, i.e. the breakdown voltage, the discharge current, the breakdown delay, the injected charge, the breakdown probability, etc. The influence of an external magnetic field, in particular its orientation relative to the axis of the electrodes, on the characteristics of the discharge was then explored. The study of the plasma-electrode interactions as a function of the magnetic field orientation was performed by analyzing images of the dispersion of the impacts created by the discharges on the counter-electrode and the erosion of the tip. Furthermore, we have shown that the nature of the electrode material, in particular its magnetic properties, greatly influences the rate of electrode erosion. The results reported in this thesis will contribute not only to the advancement of the physics of discharges in liquids, but also to the development / optimization of applications in different technological fields.

Le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma hors équilibre thermodynamique est largement étudié pour la synthèse de couches minces fonctionnelles. Pour certaines applications, la multifonctionnalité est un prérequis, ce qui peut être réalisé à l’aide d’un certain nombre de méthodes, dont le dépôt par plasma de couches minces nanocomposites. En utilisant un réacteurinjecteur, des précurseurs liquides avec ou sans nanoobjets peuvent être injectés dans la décharge sous la forme d’aérosols en régime pulsé, ce qui donne lieu à des plasmas transitoires avec des propriétés fondamentales qui dépendent du temps. L’impact de l’injection de pulses d’argon dans un plasma RF d’argon à basse pression a récemment été étudié par spectroscopie d’émission optique. La présente étude s’inscrit comme une suite à ce travail et vise à caractériser le procédé en présence de pulses de pentane pour le dépôt de couches minces hydrocarbonées, d’une part, et de pulses de pentane et de nanoparticules d’oxyde de zinc pour le dépôt de couches minces hydrocarbonées avec des nanoinclusions d’oxyde métallique, d’autre part. Dans la première partie, les résultats montrent que l’augmentation de la quantité d’aérosol injectée dans le plasma RF d’argon, obtenue en augmentant soit la fréquence des impulsions, soit la quantité de liquide injectée pendant une impulsion, influence différemment les variations transitoires de la pression d’opération et de la tension d’auto-polarisation sur le substrat pendant chaque impulsion. Dans la gamme des conditions expérimentales étudiées, la vitesse de dépôt des revêtements CxHy augmente avec la quantité de précurseur injecté. Cependant, en corrélant ces données avec les caractéristiques de l’aérosol obtenue par diffusion de la lumière, il s’avère que la taille des gouttelettes joue un rôle important dans la cinétique du dépôt et dans l’évolution des propriétés des couches déposées. Dans la seconde partie, les données montrent que des couches minces formées de nanoparticules de ZnO imbriquées dans une matrice CxHy peuvent être formées en remplaçant le pentane par une solution colloïdale. Dans ces conditions, la vitesse de dépôt et la quantité de nanoparticules injectées dans la couche peuvent être contrôlée en ajustant la fréquence des impulsions et la quantité de précurseur injectée pendant une impulsion. / Plasma-enhanced chemical vapor deposition in non-equilibrium plasmas is widely studied for the synthesis of functional thin films. For some applications, multifunctionality is a prerequisite, which can be achieved using several methods, including plasma deposition of nanocomposite thin films. Using a reactor-injector, liquid precursors with or without nanoobjects can be injected into the discharge as pulsed aerosols, giving rise to transient plasmas with time-dependent fundamental properties. The impact of injecting argon pulses into a low-pressure RF argon plasma has recently been studied by optical emission spectroscopy. The present study is a follow-up to this work and aims to characterize the process in the presence of pentane pulses for the deposition of thin hydrocarbon layers, on the one hand, and pentane pulses and zinc oxide nanoparticles for the deposition of thin hydrocarbon layers with metal oxide nanoinclusions, on the other hand. In the first part, the results show that increasing the amount of aerosol injected into the RF argon plasma, obtained by increasing either the pulse frequency or the amount of liquid injected during a pulse, influences differently the temporal variations of the operating pressure and self-bias voltage on the substrate during each pulse. In the range of experimental conditions studied, the deposition rate of CxHy coatings increases with the amount of precursor injected. However, by correlating these data with the characteristics of the aerosol obtained by light scattering, it turns out that the size of the droplets plays an important role on the thin-film deposition kinetics and on the evolution of the properties of the plasma-deposited layers. In the second part, the data show that thin films formed of ZnO nanoparticles embedded in a CxHy matrix can be formed by replacing pentane with a colloidal solution. Under these conditions, the deposition rate and the quantity of nanoparticles injected into the layer can be controlled by adjusting the frequency of the pulses and the quantity of precursor injected during a pulse.

Les plasmas de décharges électriques qui entrent en contact avec des liquides ont suscité beaucoup d'attention depuis une cinquantaine d’années. En effet, les décharges avec des liquides se caractérisent par une réactivité chimique importante. Afin d’optimiser cette réactivité, de nombreuses études ont été effectuées en fonction de différents paramètres, tels que la configuration géométrique d’électrode, la composition du gaz, l’alimentation électrique (polarité, amplitude et fréquence), etc. Les travaux de recherche sur le traitement de l'eau par plasma et les applications environnementales ont débuté il y a plusieurs années. Plus récemment, la pollution par le plastique dans l’environnement marin et terrestre a créé un nouveau domaine d’applications des plasmas, en particulier ceux qui sont couplés avec un milieu liquide. Dans ce mémoire de maîtrise, les décharges en milieu liquide sont appliquées à la dégradation de polystyrène (PS) solide dans l’eau. Le point de départ de cette étude a été la réalisation d’un montage pointe - pointe : l’électrode de masse est immergée dans de l’eau déionisée et l’électrode de haute tension se trouve au-dessus de la phase liquide. Le PS se situe à l’interface air/eau. Une étude paramétrique est effectuée afin d’établir les paramètres optimaux pour la dégradation, en particulier la fréquence de répétition des décharges pour des valeurs entre 2 et 10 kHz. Pour ce faire, l’étude des caractéristiques électriques ainsi qu’optiques de chaque décharge permet de suivre ses propriétés au cours du traitement et de les coupler à la perte de masse de PS. À partir de ces données, il est possible de mettre en évidence un changement de régime de décharge à haute fréquence (10 kHz) : transition d’un streamer à un spark. De ce fait, il a été possible d’établir le rôle potentiel de chaque régime (streamer à spark) dans la dégradation du PS. Cette étude a permis de proposer un mécanisme de dégradation du polystyrène. Ainsi, nous avons trouvé qu’à 10 kHz, la dégradation du PS était maximisée avec une réduction de la masse de 83%, tandis qu’elle est de 50% à 5 kHz après traitement par un nombre de décharges équivalent. La caractérisation par FTIR du PS a montré que sa composition chimique ne change pas pendant la dégradation. Cependant, l’analyse de l’eau par résonance magnétique nucléaire a permis d’identifier la présence d’une faible quantité d’éthylbenzène comme sous-produit de dégradation. Les résultats présentés dans ce mémoire représentent une contribution à la compréhension de la dégradation de plastique par décharges électriques en milieu liquide. / Electric discharge plasmas that come into contact with liquids have attracted a great deal of attention over the last fifty years. Indeed, discharges with liquids are characterized by significant chemical reactivity. In order to optimize this reactivity, numerous studies have been carried out in relation to various parameters, such as electrode geometry, gas composition, power supply (polarity, amplitude and frequency), and so on. Research into plasma water treatment and environmental applications began several years ago. More recently, plastic pollution in the marine and terrestrial environment has created a new field of applications for plasmas, particularly those coupled with a liquid. In this master's thesis, liquid discharges are applied to the degradation of solid polystyrene (PS) in water. The starting point for this study was the realization of a tip-to-tip set-up. The ground electrode is immersed in deionized water, and the high-voltage electrode is above the liquid phase. The PS is located at the air/water interface. A parametric study is carried out to establish the optimum parameters for degradation, in particular the discharge repetition frequency for values between 2 and 10 kHz. The study of the electrical and optical characteristics of each discharge makes it possible to monitor its properties during processing, and to couple them to the mass loss of the PS. From these data, it is possible to highlight a change in discharge regime at high frequency (10 kHz): transition from streamer to spark. As a result, it was possible to establish the potential role of each regime (streamer to spark) in PS degradation. This study enabled us to determine the degradation mechanisms of polystyrene. We found that PS degradation was maximized at 10 kHz, with a mass reduction of 83%, while it was 50% at 5 kHz after treatment with an equivalent number of discharges. FTIR characterization of the PS showed that its chemical composition did not change during degradation. However, nuclear magnetic resonance analysis of the water identified the presence of a small amount of ethylbenzene as a degradation by-product. The results presented in this thesis represent a contribution to the understanding of plastic degradation by electrical discharges in liquid systems.

Ce mémoire signe la fin de ma maîtrise dans le cadre du master Sciences et Technologies des Plasmas (STP), à l’Université Paul Sabatier de Toulouse, en partenariat avec l’Univer- sité de Montréal dans le cadre d’une double diplomation. L’objectif de cette double tutelle, portée par Ahmad Hamdan à Montréal et Flavien Valensi à Toulouse, est l’étude d’une décharge streamer en interaction avec une goutte d’eau au moyen du développement d’un modèle numérique. La goutte est positionnée entre deux électrodes pointes, le tout, sur un support en Téflon. Pour ce faire un modèle fluide permettant de suivre l’évolution spatio-temporelle des élec- trons, des ions positifs et des ions négatifs a été construit en python. L’équation dérive- diffusion est résolue, en 2D, pour chaque espèce, ainsi que l’équation de Poisson afin d’obtenir le champ électrique dans tout le domaine de calcul. Les coefficients de transport sont tabulés en fonction du champ électrique réduit dans l’hypothèse d’équilibre avec le champ électrique local. La photoionisation, jouant un rôle important pour la propagation du streamer positif à pression atmosphérique, a également était prise en compte au travers de la résolution de trois équations d’Helmholtz. Le modèle a été validé en comparant le terme source par impact électronique, supposé pro- portionnel à l’émission lumineuse, obtenu numériquement, à la lumière émise par la décharge enregistrée expérimentalement dans le domaine visible à l’aide d’une caméra ICCD. La dy- namique de la décharge a pu être étudiée grâce à l’évolution spatio-temporelle du champ électrique, de la densité électronique et de la densité de charge d’espace. L’influence de la constante diélectrique de la goutte sur la dynamique de la décharge a été ensuite étudiée. La répartition spatiale du champ électrique étant modifiée par le diélec- trique, son influence sur la décharge est importante. La vitesse de propagation des streamers est diminuée lorsque la permittivité de la goutte diminue ainsi que la valeur de la densité électronique dans le canal conducteur une fois formé. Enfin, l’angle de contact entre la goutte et le Téflon a été modifié. Les résultats ainsi obte- nus permettent de prédire le comportement de la décharge sur des géométries pouvant être rencontrées dans différentes situations expérimentales / This thesis marks the completion of my Master’s degree in the framework of the Plasma Sciences and Technologies (STP) program at the Paul Sabatier University of Toulouse, in partnership with the University of Montreal for a dual degree. The objective of this joint supervision, led by Ahmad Hamdan in Montreal and Flavien Valensi in Toulouse, is to study a streamer discharge interacting with a water droplet through the development of a numer- ical model. The droplet is positioned between two pointed electrodes, all placed on a Teflon substrate. To achieve this, a fluid model capable of tracking the spatiotemporal evolution of electrons, positive ions, and negative ions was constructed in Python. The drift-diffusion equation is solved in 2D for each species, along with the Poisson equation to obtain the electric field throughout the computational domain. Transport coefficients are tabulated as a function of the reduced electric field, assuming local equilibrium with the electric field. Photoionization, which plays a significant role in the propagation of positive streamers at atmospheric pres- sure, is also taken into account through the solution of three Helmholtz equations. The model was validated by comparing the source term due to electron impact, assumed to be proportional to the emitted light, obtained numerically, with the light emitted by the discharge recorded experimentally in the visible range using an ICCD camera. The discharge dynamics were studied through the spatiotemporal evolution of the electric field, electron density, and space charge density. The influence of the dielectric constant of the droplet on the discharge dynamics was then investigated. The spatial distribution of the electric field is modified by the dielectric, thus having a significant impact on the discharge. The streamer propagation velocity is reduced when the permittivity of the droplet decreases, as well as the value of the electron density within the formed conductive channel. Lastly, the contact angle between the droplet and Teflon was modified. The obtained re- sults allow predicting the behavior of the discharge on geometries encountered in different experimental situations.

Cette thèse vise à mieux comprendre la physique des décharges électriques impulsionnelles produites dans l’air en contact avec une solution liquide. Des impulsions haute tension (amplitude 8 - 20 kV et largeur de 100 ns) sont appliquées à une pointe placée 10 – 1000 μm au-dessus de la solution. En utilisant des diagnostics électriques et de l’imagerie ICCD, l’influence de différents paramètres expérimentaux (distance pointe-liquide, amplitude et temps de montée de la tension, conductivité électrique et permittivité diélectrique de la solution) sur les propriétés de la décharge à la surface de la solution a été étudiée. Afin d’approfondir la physique de ces décharges, surtout la propagation à la surface du liquide, nous avons développé un modèle fluide 2D axisymétrique pour trois espèces : électrons, ions positifs et ions négatifs. Le modèle consiste à résoudre les équations de continuité ainsi que l’équation de Poisson tout en considérant la photo-ionisation. Nous avons démontré que les décharges se propageant à la surface sont de type streamer. Les résultats expérimentaux et ceux de la simulation montrent qu’une augmentation de la permittivité diélectrique induit une réduction de la tension de claquage et accélère l'initiation de la décharge, mais diminue la distance maximale de propagation à la surface de la solution. L’augmentation de la conductivité électrique a induit une production plus intense de charges à la surface de la solution et une réduction de la distance maximale de propagation. La polarité de la tension est également examinée, révélant des tendances similaires pour les décharges positives et négatives en termes de variation de permittivité et de conductivité. Cependant, la décharge négative se propage moins loin à la surface du liquide et ne permet pas la formation de filaments en raison d'une charge d’espace trop faible. Enfin, nous avons exploré la faisabilité d’un modèle fluide 3D tenant compte de la photo-ionisation stochastique. Le modèle a bien reproduit la formation de filaments dans le cas d'une polarité positive et une structure uniforme pour la polarité négative. Aussi, l'augmentation de la conductivité et de la distance pointe-liquide réduisent la vitesse de propagation de la décharge positive et peuvent l’arrêter avant la formation des filaments, comme observé expérimentalement. / This thesis aims to better understand the physics of pulsed electrical discharges produced in air in contact with a liquid solution. High voltage pulses (amplitude 8 - 20 kV and width 100 ns) are applied to a pin placed 10 – 1000 μm above the solution. Using electrical diagnostics and ICCD imaging, the influence of various experimental parameters (pin-to-liquid distance, voltage amplitude and rise time, electrical conductivity, and dielectric permittivity of the solution) on the discharge properties at the solution surface has been studied. To deepen the understanding of the physics of these discharges, especially the propagation at the liquid surface, we developed a 2D axisymmetric fluid model for three species: electrons, positive ions, and negative ions. The model involves solving the continuity equations as well as the Poisson equation while considering photoionization. We have demonstrated that discharges propagating at the surface are of the streamer type. Experimental and simulation results show that an increase in dielectric permittivity induces a reduction in breakdown voltage and accelerates the initiation of the discharge but decreases the maximum propagation distance on the solution surface. Increased electrical conductivity induced more intense charge production at the solution surface but also reduced the maximum propagation distance. The polarity of the voltage is also examined, revealing similar trends for positive and negative discharges in terms of permittivity and conductivity variation. However, the negative discharge propagates less far on the liquid surface and does not allow filament formation due to too low space charge. Finally, we explored the feasibility of a 3D fluid model accounting for stochastic photoionization. The model accurately reproduced filamentation in the case of positive polarity and a uniform structure for negative polarity. Also, increasing the conductivity and the pin-to-liquid distance reduces the propagation speed of the positive discharge and can stop it before filament formation, as observed experimentally.

L’objectif de cette thèse est d’acquérir une meilleure connaissance des décharges à barrières diélectriques basse fréquence et double fréquence BF-RF (50 kHz – 5 MHz), en Ar-NH3 à la pression atmosphérique, notamment à travers l’étude de leurs propriétés spatio-temporelles. Dans ce contexte, des mesures d’émission et d’absorption spectroscopiques, résolues dans l’espace et /ou le temps, incluant des cartographies sur un cycle BF (20 µs) résolues à l’échelle de la RF (7 ns) ainsi que des mesures électriques ont été confrontées avec un modèle fluide 1D. Dans un premier temps, la comparaison de l’évolution de la densité d’argon métastable entre le modèle et la mesure a mis en évidence l’influence des photons VUV sur l’émission secondaire et donc sur l’auto-entretien de la décharge basse fréquence et double fréquence. En double fréquence, l’étude de l’effet de l’amplitude de la tension RF démontre l’influence du niveau d’ionisation RF sur le claquage . Plus l’amplitude de la tension RF est importante, plus la densité du plasma RF  est élevée et plus la tension appliquée au gaz nécessaire pour obtenir le mode  diminue. Ainsi, la densité d’électrons augmente, alors que la densité des espèces formées par des électrons de haute énergie (Ar(1s) et Ar(2p)) décroit. Ensuite, la dissymétrie du courant à l’échelle RF est expliquée par la présence continue d’une gaine cathodique oscillante à l’échelle de la fréquence RF. Ainsi, nous avons montré que le transport des charges est contrôlé par la tension BF dans la gaine et par la tension RF dans le volume. Enfin, la physico-chimie de ces décharges en mélange Penning Ar-NH3 a été explorée à travers la caractérisation des produits de décomposition de NH3 visibles en spectroscopie d’émission optique, et en particulier, l’émission liée à la désexcitation du H2(a) observée à autour de 200 nm. En couplant expérience et modélisation, un nouveau mécanisme de formation de H2(a) en post-décharge a été proposé. En s’appuyant sur le modèle 1D, le degré de dissociation de NH3 a été estimé et les mesures en fonction du temps de résidence de NH3 dans le plasma ont, en particulier, montrées que la décharge homogène peut se propager le long des lignes de flux sans changer de régime. / The aim of this thesis is to gain a better understanding of low-frequency and dual-frequency LFRF (50 kHz - 5 MHz) dielectric barrier discharges in Ar-NH3 at atmospheric pressure, in particular by studying their spatio-temporal properties. In this context, spectroscopic emission and absorption measurements, space and/or time resolved, including mappings on an LF cycle (20 µs) resolved on the RF scale (7 ns), as well as electrical measurements, were compared with a 1D fluid model. Firstly, a comparison of the evolution of the metastable argon density between the model and the measurement highlighted the influence of VUV photons on secondary emission and therefore on the self-maintenance of the low-frequency and dual-frequency discharge. In dual frequency discharges, the study of the effect of the amplitude of the RF voltage demonstrates the influence of the level of RF ionisation on  breakdown. The higher the amplitude of the RF voltage, the higher the density of the RF  plasma and the lower the gas voltage required to obtain the  mode. As a result, the electron density increases, while the density of species formed by highenergy electrons (Ar(1s) and Ar(2p)) decreases. Secondly, the current asymmetry at the RF scale is explained by the continuous presence of an oscillating cathode sheath at the RF frequency scale. Thus, it is shown that charge transport is controlled by the LF voltage in the cathodic and by the RF voltage in the bulk. Finally, the physico-chemistry of these Ar-NH3 Penning discharges is explored through the characterization of NH3 by-products, visible in optical emission spectroscopy, especially the emission of H2(a) around 200 nm. By coupling experiments and modelling, a new mechanism of H2(a) formation is proposed in the post-discharge. Based on the 1D model, a degree of NH3 dissociation has been estimated and measurements as a function of the residence time of NH3 in the plasma have, in particular, shown that the homogeneous discharge can propagate along the lines of flow without changing regime.