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Ce travail démontre la faisabilité de deux procédés de polymérisation d'un précurseur gazeux dans un plasma radiofréquence basse pression et liquide déposé sur un substrat activé par décharge à barrière diélectrique à pression atmosphérique pour l'obtention de couches minces de polymère. L'étude porte sur la fonctionnalisation de substrats organiques par des fonctions éther, connues pour leurs propriétés d'anti-adhésion vis-à-vis des microorganismes biologiques. Le procédé « voie sèche » par plasma radiofréquence basse pression induit la fragmentation du précurseur gazeux de façon contrôlée, à l'aide des paramètres de régulation de la décharge. Les dépôts formés sont homogènes, adhérant au substrat, stables au lavage et à la stérilisation par autoclave et possèdent un taux de rétention de la fonction C-O compris entre 70 et 80% suivant le monomère utilisé. Le procédé « voie humide » permet d'activer, par Décharge à Barrière Diélectrique à pression atmosphérique, des substrats de polystyrène et de polyéthylène à densité surfacique d'énergie contrôlée. Le précurseur est ensuite déposé en post-décharge sur le substrat prétraité, sous forme d'un nébulisât de gouttelettes microniques chargées par Pulvérisation ElectroHydroDynamique en mode cône-jet pour former un film liquide à flux de matière contrôlé. Cette étude a permis de confirmer que la polymérisation est initiée par les radicaux générés en surface du substrat formant des dépôts de quelques µm d'épaisseur. Les rendements de polymérisation dépendent alors de la densité surfacique d'énergie transférée au substrat, de la masse déposée par unité de surface et du temps entre le prétraitement et le dépôt.

L'objet de ce travail consiste dans un premier temps en la modélisation d'une source plasma filaire en régime continu basse pression, puis, dans un second temps, en la caractérisation des propriétés d'une source d'ions développée sur la base de la source plasma préalablement étudiée. Un code particulaire permettant de modéliser le fonctionnement de la source plasma est ainsi développé, puis validé par comparaison avec les résultats d'une étude expérimentale. A la lueur des résultats de simulation, une analyse de la décharge en termes d'écoulement ionique de Child-Langmuir collisionnel en géométrie cylindrique est proposée, permettant alors d'interpréter la transition de mode comme une réorganisation naturelle de la décharge lorsque le courant de décharge excède un courant limite fonction de la tension de décharge, de la pression et de l'espace inter-électrodes. L'analyse de la fonction de distribution en énergie des ions impactant la cathode met par ailleurs en évidence la possibilité d'extraire un faisceau d'ions de faible dispersion en énergie autour de la tension de décharge, et ce sous réserve d'opérer la décharge dans son mode haute pression. Un prototype de source d'ions permettant l'extraction et l'accélération d'ions à partir de la source filaire est alors proposé. L'étude expérimentale d'un tel dispositif confirme le fait que l'adjonction d'un processus d'accélération se traduit par un simple décalage de la fonction de distribution en vitesse des ions d'une valeur correspondant à la tension d'accélération, mais ne l'élargit pas. Il est ainsi possible de produire des faisceaux d'ions de diverses espèces ioniques, d'énergie modulable (0-5 keV) et de dispersion en énergie limitée (~ 10 eV). Les courants de faisceau mesurés sont de quelques dizaines de micro-ampères, et la divergence d'un tel faisceau est de l'ordre du degré. Une modélisation numérique de cette source d'ions est finalement entreprise afin d'identifier de possibles optimisations du concept proposé.

Les plasmas inductifs radiofréquence basse pression sont utilisés pour la gravure de motifs nanométriques. Ces plasmas contiennent des ions négatifs et peuvent être soumis à deux types d'instabilités. La première est décrite par des oscillations de relaxation entre les modes de couplage de l'énergie capacitif (E) et inductif (H). Les mesures temporelles au cours de ces oscillations sont conformes aux résultats publiés. L'autre instabilité, liée au transport des espèces chargées, n'existe que lorsque le plasma peut diffuser. Des mesures spatio-temporelles montrent que les fluctuations des paramètres plasma sont liées à la formation et à la propagation périodique d'une double couche d'amplitude moyenne. Cette double couche est une gaine interne séparant un plasma haute densité, forte température électroniques et sans ions négatifs dans la source d'un plasma faible densité, faible température électronique et de forte fraction d'ions négatifs dans la chambre de diffusion. Cette double couche propagative apparaît lorsque la fraction d'ions négatifs dépasse un seuil. Sous ce seuil, la double couche est statique et disparaît pour des fractions d'ions négatifs très faibles. Les transitions entre ces trois états sont soumises à une forte activité acoustique ionique. L'ajout d'un champ magnétique modifie le chauffage des électrons par absorption de l'onde hélicon (mode W). Des oscillations de relaxation H/W ont été observées dans une fenêtre restreinte de paramètres. D'autre part, le confinement des espèces chargées est modifié: au centre, le plasma ne contient pas d'ions négatifs; au bord, le plasma ne contient plus d'électrons, un plasma ions - ions a été créé.

Dans les centrales solaires à concentration, le flux solaire est concentré sur des récepteurs pour chauffer un fluide de transfert jusqu’à 600°C. Dans le but d’améliorer leurs propriétés optiques, ces récepteurs peuvent être recouverts par des revêtements multicouches à sélectivité spectrale. Ces travaux portent sur le développement de structures optiquement sélectives innovantes, absorbantes dans le domaine du rayonnement visible et proche infrarouge (faible réflectivité) et peu émissives (forte réflectivité) pour le rayonnement infrarouge. Nous avons développé des empilements multicouches associant un métal réfractaire avec une céramique ce qui permet d’améliorer l’absorption dans le visible ainsi que la stabilité thermique. Les couches sont déposées par plasma combinant la PACVD et la PVD. L’étude de faisabilité du procédé transférable à l’industrie, son développement et son optimisation via la conception d’un réacteur innovant, le dépôt et la caractérisation des couches, leur association dans des empilements optiquement sélectifs performants et l’étude de leur vieillissement ont été réalisés. / In concentrated solar power (CSP) plants, solar flux is concentrated on receivers to heat a transfer fluid up to 600°C. In order to improve their optical properties, these receivers can be covered by multilayered spectrally selective coatings. This work is devoted to designing and developing innovative spectrally selective structures showing strong absorption (low reflectivity) in the visible and near infrared range and low emissivity (high reflectivity) in the infrared range. We developed such stacks associating a refractory metal with high IR reflectivity and a ceramic which improves absorption in the visible range and thermal stability. The coatings were synthesized by plasma techniques, combining PACVD and PVD. Pre-industrial process feasibility, its development and optimization through the design of an innovative reactor, layer deposition and characterization, their combination in efficient optically selective stacks and the study of their aging have been achieved.

Le domaine de la physique des plasmas froids a émergé avec les premières découvertes fondamentales en physique atomique et en physique des plasmas il y a plus d’un siècle. Toutefois, ce domaine a été rapidement orienté vers les applications. L’une des plus importantes dans la première moitié du XXème est le "Calutron" (California University Cyclotron), inventé par E. Lawrence à Berkeley, qui faisait partie du projet Manhattan, et utilisé comme un spectromètre de masse pour séparer les isotopes de l’uranium. Dans un rapport du projet Manhattan daté de 1949, D. Bohm fait deux observations qui sont fondamentales pour la physique des plasmas froids :(i) Les ions doivent avoir une énergie cinétique minimales lorsqu’ils entrent dans la gaine du plasma, estimée à Te/2, Te étant la température électronique.(ii) Le transport du plasma à travers un champ magnétique est augmenté par des instabilités.La propulsion électrique par plasma est utilisée pour des satellites militaires et des sondes spatiales depuis les années 1960 et a suscité un intérêt grandissant ces vingt dernières années avec le développement des applications commerciales des technologies spatiales. Néanmoins, les mêmes questions que celles auxquelles D. Bohm était confronté, c’est-à-dire le transport multidimensionnel, l’interaction plasma-gaine, et les instabilités, se posent toujours. La théorie et les simulations sont d’autant plus importantes pour la conception des systèmes de propulsion électrique que les tests en conditions réelles nécessitent le lancement d’un satellite dans l’espace.Dans ce travail, nous établissons les équations du transport multidimensionnel dans un plasma isotherme, nous proposons un critère de gaine qui permet de rendre compte de la saturation du champ magnétique dans un plasma froid et faiblement ionisé, et nous modélisons le refroidissement des électrons à travers le filtre magnétique du propulseur PEGASES (Plasma Propulsion with Electronegative Gases). Toutes les théories sont motivées et validées par un grand nombre de simulations particulaires PIC bi-dimensionnelles, en utilisant le code LPPic qui a été partiellement développé dans le cadre du projet. Enfin, les cas de simulation sont étendus à une décharge inductive à plasma dans l’iode, avec un nouvel ensemble de section efficaces de réaction. / The field of low temperature plasma physics has emerged from the first fundamental discoveries in atom and plasma physics more than a century ago. However, it has soon become very much driven by applications. One of the most important of them in the first half of the XXth century is the "Calutron" (California University Cyclotron) invented by E.~Lawrence in Berkeley, that was part of the Manhattan project, and operated as a mass spectrometer to separate uranium isotopes. In a 1949 report of the Manhattan project, D.~Bohm makes two observations that are fundamental for low-temperature plasma physics.(i) The ions must have minimum kinetic energy when they enter the plasma sheath estimated to T_e/2 , Te being the electron temperature in eV ;(ii) Plasma transport across a magnetic field is enhanced by instabilities.Plasma electric propulsion is used on military satellites and space probes since the 1960s and has gained more and more interest for the last twenty years as space commercial applications were developing. However, the same questions as the ones D.~Bohm was faced with, namely multi-dimensional transport, plasma sheath interaction, and instabilities, arise. Theory and simulation are even more important for electric space propulsion systems design since testing in real conditions involves to launch a satellite into space.In this work, we derive the equations of the multi-dimensional isothermal plasma transport, we establish a sheath criterion that causes the magnetic confinement to saturate in low-temperature, weakly ionized plasmas, and we model the electron cooling through the magnetic filter of the PEGASES (Plasma Propulsion with Electronegative Gases) thruster. All the theories are driven and validated with extensive two-dimensional particle-in-cell (PIC) simulations, using the LPPic code that was partially developed in the frame of this project. Finally, the simulation cases are extended to an iodine inductively coupled plasma (ICP) discharge with a new set of reaction cross sections.