La décharge contrôlée par barrière diélectrique est un type de décharge hors-équilibre, fonctionnant à la pression atmosphérique. Normalement, elle est générée en état filamentaire qui se caractérise par une multitude de micro-décharges. Par contre, dans certaines conditions, nous pouvons obtenir une décharge homogène. Par exemple, dans notre étude, une décharge homogène est obtenue en atmosphère principale d’azote à la pression atmosphérique et comme ses caractéristiques électriques sont similaires à celles d’une décharge sombre de Townsend à basse pression, elle est appelée décharge de Townsend à la pression atmosphérique (DTPA). Pour maintenir un claquage de Townsend, un effet mémoire entre deux décharges est nécessaire. Cet effet mémoire conduit à la création d’électrons germes sous faible champ qui, lors de l’inversion de polarité permettent l’obtention d’une décharge homogène. Un marqueur de cet effet mémoire observable par les caractéristiques électriques de la décharge est le saut de courant quand la tension du gaz passe par zéro: plus le saut de courant est grand, plus l’effet mémoire est important. Des études précédentes ont montré l’importance des métastables de l’azote N2(A), qui produisent des électrons par émission secondaire entre deux décharges lors du bombardement des surfaces diélectriques. Néanmoins, nous observons que l’ajout d’une faible quantité de gaz oxydant (ici de l’oxygène) permet d’obtenir une décharge homogène plus stable, malgré la destruction considérable de N2(A) par quenching par des espèces oxydantes. En conséquence, nous proposons un autre processus pour la production des électrons germes en volume, basé sur la réaction d’ionisation associative suivante: N(2P)+O(3P) -->NO++e- où N(2P) est créé par la réaction: N(4S)+N2(A)-->N(2P)+N2(X). Pour vérifier cette hypothèse, nous utilisons la technique de la fluorescence induite par laser (LIF/TALIF), afin de déterminer les densités absolues de N(4S), O(3P) et NO. Les mesures sont faites pour différentes conditions expérimentales pour étudier l’influence du flux de gaz, de la puissance de la décharge et tout particulièrement de la concentration d’oxygène. Avec une augmentation de la concentration en oxygène jusqu’à 200ppm, la densité de N(4S) diminue à cause de sa destruction par les espèces oxydantes. Les densités de O(3P) et NO(X) augmentent puis saturent. Ceci peut être expliqué par le fait que la production de O(3P) et NO(X) est liée à la densité de N2(A). Ainsi pour de faibles concentrations en oxygène, l’ajout d’oxygène favorise la production de O(3P) et NO(X), mais pour des concentrations plus fortes, la destruction de N2(A) par quenching par les espèces oxydantes devient plus importante, limitant ainsi la production de O(3P) et NO(X). Avec les densités de N(4S), O(3P) et NO(X) mesurées expérimentalement, et la densité de N2(A) déterminée par Dilecce et al, la densité de N(2P) entre deux décharges peut être estimée par un modèle simple. Il est alors possible d’estimer la production d’électrons germes par les réactions d’ionisation associative et finalement le saut de courant qui en résulte. Un bon accord est observé entre les évolutions du saut de courant mesuré et calculé, même si des écarts quantitatifs subsistent. En conclusion, l’ionisation associative peut être considérée comme une bonne candidate pour expliquer l’augmentation de la création d’électrons germe entre deux décharges lorsqu’une faible quantité d’oxygène est introduite dans l’azote. / Dielectric barrier discharge is a type of non-equilibrium discharge, operating at atmospheric pressure. Normally, it is generated in filamentary mode which is characterized by a multitude of micro-discharges. Nevertheless, under certain conditions, it is possible to obtain a homogeneous discharge. In our study, the discharge is ignited in a nitrogen based atmosphere at atmospheric pressure and since its electrical characteristics are similar to that of a Townsend discharge at low pressure, it is called atmospheric pressure Townsend discharge (APTD). To maintain a Townsend discharge, a memory effect between two successive discharges is necessary. This memory effect is characterized by the creation of seed electrons under low electric field. A marker of this memory effect can be observed on the electrical characteristics: a current jump is observed when the gas voltage polarity reverses. The larger the current jump, the more important the memory effect. Previous investigations showed the importance of the N2(A) metastable molecules, which produce electrons by secondary emission on the dielectrics. Nevertheless, we observe that the addition of a small amount of oxidizing gas (in this case oxygen) results in a more stable homogeneous discharge, despite the considerable destruction of N2(A) by quenching by the oxidizing species. Therefore, we propose another process for the production of seed electrons, based on the following associative ionization reaction: N(2P)+O(3P)-->NO++e- where N(2P) is created by: N(4S)+N2(A)-->N(2P)+N2(X). To verify this hypothesis, laser-induced fluorescence (LIF/TALIF) measurements were done to determine the absolute densities of N(4S), O(3P) and NO(X) between two discharges. The measurements were performed under different experimental conditions to study the influence of the gas flow, the discharge power and more specifically the concentration of oxygen. For increasing oxygen concentration up to 200ppm, the density of N(4S) decreases because of its higher destruction by the oxidizing species. The densities of O(3P) and NO(X) increase and then become nearly constant. It can be explained by the fact that the production mechanisms of O(3P) and NO(X) involve N2(A) molecules. Then, whereas the addition of a small amount of oxygen favors the production of O(3P) and NO(X), a higher oxygen concentration induces a larger destruction of N2(A) by quenching due to the oxidizing species, which finally limits the production of O(3P) and NO(X). Knowing the densities of N(4S), O(3P) and NO(X) from experimental measurements, and the density of N2(A) from the work of Dilecce et al, the density of N(2P) can be estimated using a simple model, as well as the production of electrons due to associative ionizations. Finally the current jump can be calculated. The evolutions of the measured and calculated current jump have the same tendency even if the calculated values are much higher. In conclusion, associative ionization can be considered as a serious candidate to explain the increase of the memory effect and discharge stability when a small amount of oxygen is added to the nitrogen atmosphere of an APTD.

Des travaux récents ont montré que la Décharge de Townsend à la Pression Atmosphérique (DTPA) est compatible avec les procédés de traitement en ligne de matériaux comme, par exemple, l'activation de surfaces polymères ou le dépôt de couches minces. Néanmoins, les conditions d'obtention de cette décharge contrôlée par barrière diélectrique sont encore limitées pour développer un procédé industriel, ce qui se traduit par une puissance trop faible et donc des temps de traitement trop longs pour des applications industrielles à grande échelle. Ainsi, l'objectif de ce travail est d'améliorer la compréhension de la physique de la DTPA afin de définir en particulier l'origine des différentes causes de sa déstabilisation qui limite la puissance transmise à la décharge. Pour cela, la démarche adoptée consiste en une étude fine du couplage entre le générateur et la décharge, par le biais d'une modélisation électrique de type circuit de l'alimentation électrique et de la DTPA basée sur des observations expérimentales. Le modèle électrique de la DTPA permet d'avoir une vision macroscopique de la décharge. Nous avons pu mettre en évidence l'importance de la variation de l'émission secondaire durant la décharge, ainsi que le rôle de l'effet mémoire d'une décharge à la suivante et celui de l'élévation de la température du gaz, déterminée par un thermocouple et par des mesures de température rotationnelle. Il apparaît que l'élévation de la température du gaz est proportionnelle à la puissance moyenne, y compris pendant les transitoires. Nous avons ainsi mis au point un modèle qui décrit le comportement électrique de la décharge sur toute sa plage de fonctionnement. Le couplage de ce modèle avec celui de l'alimentation montre qu'une cause de déstabilisation de la DTPA est liée à des oscillations dues aux éléments parasites de l'alimentation. Ainsi, l'étude du couplage entre l'alimentation et la décharge a permis de définir deux solutions permettant d'augmenter la puissance transmise. La première consiste à éviter l'apparition d'oscillations en diminuant le rapport de la capacité du diélectrique solide qui évite la transition à l'arc sur la capacité du gaz. La seconde, étudiée uniquement en simulation, est basée sur l'utilisation d'une source de courant de type commutateur de courant afin de maintenir un courant constant durant la décharge et d'accroître la durée d'allumage de la décharge.

Ce travail de thèse porte sur le développement de nouvelles couches minces nanocomposites par plasma froid à la pression atmosphérique. L'objectif principal est d'améliorer la compréhension des mécanismes physico-chimiques régissant ce procédé de synthèse. La stratégie adoptée est basée sur l'injection via un aérosol d'une suspension colloïdale de nanoparticules d'oxyde métallique dans une décharge à barrière diélectrique opérant en atmosphère d'azote (décharge de Townsend). Dans un premier temps, la synthèse est réalisée de manière séquentielle, la fabrication d'une matrice inorganique de silice (SiO2) étant séparée du dépôt des nanoparticules (TiO2). Ensuite, les couches nanocomposites sont obtenues par un procédé en une seule étape à travers l'injection simultanée dans la décharge des nanoparticules et d'un précurseur polymérisable organosiliciée (HMDSO). Les travaux présentés dans ce manuscrit se divisent en quatre grandes parties : tout d'abord le procédé de fabrication des nanoparticules est présenté, et une étude de leur dispersion dans divers solvants chimiques est réalisée. Puis la deuxième partie s'intéresse à l'étape de nébulisation de la suspension colloïdale, à l'analyse des distributions de taille des objets injectés et à l'étude de leur transport sans plasma. En particulier, une étude de l'influence des principales forces agissant sur leur transport est réalisée. Ces résultats permettent ensuite d'évaluer l'impact de la décharge sur le transport, et sur la réalisation des couches minces nanocomposites. Finalement, l'analyse des propriétés obtenues pour ces couches minces sur des substrats de bois est présentée dans une dernière partie. / This PhD work is focused on the development of a new generation of nanocomposite thin films using cold plasma at atmospheric pressure. The main objective is to improve the understanding of the mechanisms involved in this process.The strategy is based on the injection of a metal oxide nanoparticles suspension in a dielectric barrier discharge operating in nitrogen (Townsend discharge). At first, the nanocomposite thin film is deposited sequentially: the fabrication of the inorganic matrix of silica (SiO2) is separated from the collection of the nanoparticles (TiO2). Then, the nanocomposite layers are obtained by a one-step process using a direct injection inside the discharge of nanoparticles dispersed in a polymerizable organosilicon precursor (HMDSO). This manuscript is divided into four major parts: first, the synthesis of the nanoparticles and the study of their dispersion in different solvents are presented. Then, in the second part we focus on the atomization of the colloidal suspension, on the analysis of the size distributions of the injected objects and on the study of their transport towards the discharge area. These results are then used to assess the influence of the discharge on the transport and the quality of deposited nanocomposite thin films. Finally, the thin films properties are investigated when depositing on wood substrates.

Ce travail de thèse porte sur le développement de nouvelles couches minces nanocomposites par plasma froid à la pression atmosphérique. L’objectif principal est d’améliorer la compréhension des mécanismes physico-chimiques régissant ce procédé de synthèse. La stratégie adoptée est basée sur l’injection via un aérosol d’une suspension colloïdale de nanoparticules d’oxyde métallique dans une décharge à barrière diélectrique opérant en atmosphère d’azote (décharge de Townsend). Dans un premier temps, la synthèse est réalisée de manière séquentielle, la fabrication d’une matrice inorganique de silice (SiO2) étant séparée du dépôt des nanoparticules (TiO2). Ensuite, les couches nanocomposites sont obtenues par un procédé en une seule étape à travers l’injection simultanée dans la décharge des nanoparticules et d’un précurseur polymérisable organosiliciée (HMDSO). Les travaux présentés dans ce manuscrit se divisent en quatre grandes parties : tout d’abord le procédé de fabrication des nanoparticules est présenté, et une étude de leur dispersion dans divers solvants chimiques est réalisée. Puis la deuxième partie s’intéresse à l’étape de nébulisation de la suspension colloïdale, à l’analyse des distributions de taille des objets injectés et à l’étude de leur transport sans plasma. En particulier, une étude de l'influence des principales forces agissant sur leur transport est réalisée. Ces résultats permettent ensuite d’évaluer l’impact de la décharge sur le transport, et sur la réalisation des couches minces nanocomposites. Finalement, l’analyse des propriétés obtenues pour ces couches minces sur des substrats de bois est présentée dans une dernière partie. / This PhD work is focused on the development of a new generation of nanocomposite thin films using cold plasma at atmospheric pressure. The main objective is to improve the understanding of the mechanisms involved in this process. The strategy is based on the injection of a metal oxide nanoparticles suspension in a dielectric barrier discharge operating in nitrogen (Townsend discharge). At first, the nanocomposite thin film is deposited sequentially: the fabrication of the inorganic matrix of silica (SiO2) is separated from the collection of the nanoparticles (TiO2). Then, the nanocomposite layers are obtained by a one-step process using a direct injection inside the discharge of nanoparticles dispersed in a polymerizable organosilicon precursor (HMDSO). This manuscript is divided into four major parts: first, the synthesis of the nanoparticles and the study of their dispersion in different solvents are presented. Then, in the second part we focus on the atomization of the colloidal suspension, on the analysis of the size distributions of the injected objects and on the study of their transport towards the discharge area. These results are then used to assess the influence of the discharge on the transport and the quality of deposited nanocomposite thin films. Finally, the thin films properties are investigated when depositing on wood substrates.