Les micro-jets de plasma, se propageant dans un flux d'hélium entouré d'air libre, à pression atmosphérique et à température ambiante, ont attiré l'attention des chercheurs depuis une dizaine d'années. Ces micro-jets sont créés dans une décharge à barrière diélectrique alimentée par des impulsions de tension. Ils se propagent dans le flux d'hélium à l'extérieur de la DBD sous la forme d'une onde d'ionisation. Le plasma est confiné spatialement là où l'hélium est dominant, car l'ionisation de l'air nécessite un champ électrique plus important que celui présent dans le front d'ionisation. Leurs applications biomédicales sont prometteuses car ils permettent de produire des espèces réactives à quelques centimètres de distance de la DBD sans augmenter la température du gaz. Dans cette thèse, l'objectif a été de développer une meilleure compréhension de l'influence des conditions expérimentales et de la géométrie de la DBD sur les propriétés des jets de plasma. À ces fins, l'écoulement d'hélium a été étudié expérimentalement et numériquement, et des simulations sur la génération et la propagation du micro-jet de plasma ont été réalisées. / Microplasma jets propagating in a helium flow surrounded by air at ambient pressure and temperature have attracted the attention of many researchers over the past decade. These microplasma jets are ignited in a cylindrical dielectric barrier discharge (DBD) powered by impulse or sinusoidal voltage pulses with an amplitude of several kilovolts and then propagate as an ionization wave in the helium flow outside the DBD. The plasma so-generated is confined to the region where helium is the dominant species because ionization of the surrounding air requires a significantly higher electric field strength than is present at the ionization front in the plasma jet. The putative biomedical applications of microplasma jets are particularly promising because they provide a way of producing reactive oxygen and nitrogen species some centimeters downstream from the DBD without significant gas heating. The objective of the work reported in this thesis has been to develop a better understanding of the influence of the operating conditions and geometry on the properties of the plasma jets. To this end, experimental and numerical studies of the hydrodynamics of the helium flow and simulations of the generation and propagation of the microplasma jet have been carried out.

La réponse biologique d’un matériau est essentiellement reliée à sa surface : cela souligne l’importance du rôle des techniques de modification de surface dans la réalisation d’une réponse biologique adaptée. Ainsi les surfaces fonctionnalisées par des ‘hydrogels’ minces possèdent un énorme potentiel dans diverses applications. En effet, les hydrogels sensibles au pH et à la température peuvent être utilisés dans le but de libérer de façon contrôlée une molécule dans l’environnement biologique. Ces hydrogels peuvent aussi être utilisés en tant que biocapteur de par leurs fonctions disponibles permettant la reconnaissance spécifique de biomolécules cibles. Différents procédés, choisis principalement en fonction du type de matériau et de la surface à fonctionnaliser, peuvent être utilisés pour l’obtention de ce genre de films. Parmi ces procédés, le choix s’est tourné vers l’utilisation de la polymérisation par plasma dont les propriétés de surfaces peuvent être ajustées en fonction des paramètres de la décharge tel que la puissance électrique, le temps de traitement, la composition et la pression du gaz. / For various industrial applications, there is an urgent need to obtain cost effective coatings having the desired functional groups. Among such methods, dielectric barrier discharge (DBD) at atmospheric pressure makes it possible to modify the physical properties and the chemical composition of various substrates. It is possible to control the chemical nature of the resulting plasma polymer by using appropriate plasma parameters to provide homogeneous and pinhole free films with good surface coverage and preservation of the functional groups present in the used monomers. In this way different articles show the possibility of using plasma deposition to obtain coatings with different chemically reactive moieties widely used for applications in sensor technology and in life science. It has been established that through the control of the plasma parameters it is possible to produce plasma polymers coatings from acrylic acid with a high fraction of carboxylic functionality retained from the monomer. In this way, atmospheric pressure plasma polymerization has been used to create coating able to be used as biosensor as well as drug delivery.

La réponse biologique d'un matériau est essentiellement reliée à sa surface : cela souligne l'importance du rôle des techniques de modification de surface dans la réalisation d'une réponse biologique adaptée. Ainsi les surfaces fonctionnalisées par des 'hydrogels' minces possèdent un énorme potentiel dans diverses applications. En effet, les hydrogels sensibles au pH et à la température peuvent être utilisés dans le but de libérer de façon contrôlée une molécule dans l'environnement biologique. Ces hydrogels peuvent aussi être utilisés en tant que biocapteur de par leurs fonctions disponibles permettant la reconnaissance spécifique de biomolécules cibles. Différents procédés, choisis principalement en fonction du type de matériau et de la surface à fonctionnaliser, peuvent être utilisés pour l'obtention de ce genre de films. Parmi ces procédés, le choix s'est tourné vers l'utilisation de la polymérisation par plasma dont les propriétés de surfaces peuvent être ajustées en fonction des paramètres de la décharge tel que la puissance électrique, le temps de traitement, la composition et la pression du gaz.

Cette thèse examine une nouvelle méthode de diagnostic, appelée Polarimètrie de Mueller, pour l’étude des interactions plasma-surface. Cette technique d’imagerie permet la caractérisation optique résolue en temps des cibles exposées au plasma. Les matrices de Mueller mesurées sont analysées en utilisant la décomposition logarithmique donnant des informations polarimétriques sur la diattenuation, la dépolarisation et la biréfringence. Cette dernière est exploitée en examinant des matériaux optiquement actifs afin d’identifier des aspects spécifiques de l’interaction avec le plasma, tels que les champs électriques ou la température de surface.Ce travail se concentre sur les cibles électro-optiques, qui permettent principalement la détection de champs électriques induits par la charge de surface déposée lors de l’interaction. La biréfringence est couplée analytiquement au champ électrique, en rapportant le retard de phase du faisceau sonde de lumière polarisée, à l’ellipsoïde d’index perturbé suivant l’effet Pockels. Grâce à cette approche analytique, les matériaux ayant des propriétés électrooptiques spécifiques peuvent être choisis de telle manière que toutes les composantes individuelles de champ électrique (axiales et radiales) induites à l’intérieur de l’échantillon soient imagées séparément. Pour la première fois les composantes du champ électriques peuvent être découplées permettant de mieux comprendre la dynamique du plasma proche d’une surface diélectrique.Cette technique est utilisée pour étudier l’impact d’ondes d’ionisation sur des surfaces. Ces décharges, générées par un jet de plasma à pression atmosphérique dans la gamme kHz, sont des plasmas froids filamentaires généralement utilisés pour des applications diverses telles que la fonctionnalisation de surface de polymères ou des traitements biomédicaux, mais les méthodes de diagnostic disponibles pour étudier les effets induits sur les surfaces sont limités. L’imagerie de polarimètrie Mueller appliquée aux cibles électro-optiques permet d’examiner les champs axiaux et radiaux en termes d’amplitude (3-6 kV/cm), d’échelles spatiales (<1mm axiales and <1cm radiales) et d’échelles temporelles (< 1μs pulsée and < 10μs CA) pour divers paramètres de fonctionnement du jet, e.g. amplitude de tension et gaz environnant.Simultanément à la biréfringence transitoire induite par le champ électrique, un signal de fond constant est également observé. Il est induit par la contrainte résultante du gradient de température induit à l’intérieur du matériau ciblé. Une relation analytique est obtenue en utilisant l’effet photo-élastique, permettant de développer une procédure de fitting pour retrouver la distribution de température. Cette procédure est utilisée, après calibration, pour montrer que la température de l’échantillon peut varier jusqu’`a 25 degrés par rapport aux conditions ambiantes – tandis que les changements dans le champ électrique sont également mesurés – et dépend de la fréquence de la tension d’alimentation AC du jet de plasma. La détermination précise de la température induite dans les cibles est importante car la plupart des applications visent des échantillons thermosensibles.Enfin, ce travail montre comment des échantillons complexes (aussi bien en terme d’état de surface que de composition chimique) peuvent être examinés lors d’une interaction plasma-surface, en les combinant avec une cible électrooptique. En raison de l’ajout d’un échantillon complexe, une composante de dépolarisation est ajoutée due à la diffusion du faisceau lumineux polarisé. Les changements de dépolarisation sont liés à l’évolution de l’échantillon complexe au cours du traitement par plasma. Ceux-ci, couplés aux champs électriques mesurés simultanément, fournissent un outil de diagnostic unique pour examiner les interactions plasma-surface. Cela a été appliqué à un cas test où une seule couche de cellules d’oignon est exposée aux ondes d’ionisation générées par le jet de plasma froid. / In this thesis, a new diagnostic method called Mueller Polarimetry is examined for the investigation of plasma-surface interactions. This imaging technique allows the time-resolved optical characterization of targets under plasma exposure. The measured Mueller matrices are analyzed by using the logarithmic decomposition providing polarimetric data on diattenuation, depolarization, and birefringence. The latter is used by examining materials that possess optically active behavior to identify specific aspects of the plasma interaction, e.g. electric fields or temperature.This work focusses on electro-optic targets, which primarily enables the detection of electric fields induced by surface charge deposited during the interaction. The birefringence is coupled to the externally induced electric field by analytically relating the phase retardance for the probing polarized light beam to the perturbed index ellipsoid, according to the Pockels effect. Through this analytical approach, materials with specific electro-optic properties can be chosen in such a way – together with the orientation of the Mueller polarimeter itself – that all the individual electric field components (axial and radial) induced inside the sample are imaged separately. This has never been done before and allows to better understand the plasma dynamics in the vicinity of a dielectric surface.It is used to investigate the surface impact by guided ionization waves generated by a kHz-driven atmospheric pressure plasma jet. These non-thermal filamentary discharges are generally applied to various samples for e.g. surface functionalization of polymers or biomedical treatment of organic tissues. However, available diagnostic tools are limited to study these interactions. Imaging Mueller polarimetry applied to electro-optic targets examines the axial and radial field patterns in terms of amplitude (3-6 kV/cm), spatial scales (< 1mm axial and <1cm radial), and timescales (<1μs pulsed and <10μs AC) for various operating parameters of the jet, for example voltage amplitude and surrounding gas.Simultaneous with the transient birefringence induced by the electric field, a constant background pattern is also observed. This results from strain induced by temperature gradients inside the targeted material. An analytical relation is obtained following the photo-elastic effect, which allowed a fitting procedure to be designed to retrieve the temperature pattern. This procedure is used after calibration to show that the temperature of the sample can vary up to 25 degrees relative to room conditions – while changes in the electric field are seen as well – depending on the operating frequency of the AC driven plasma jet. The accurate determination of the temperature is important since most applications involve temperature sensitive samples.Lastly, this work shows how complex samples (in terms of surface geometry and/or chemical composition) can be examined during a plasma-surface interaction. This is done by combining them with the electro-optic targets. Due to the addition of a (thin) complex sample, depolarization is added to the system through scattering of the polarized light beam. In-situ observed changes of depolarization relate to the evolution of the complex sample during the plasma treatment. This, coupled with the simultaneously monitored electric field patterns, provides a unique diagnostic tool to examine the plasma-surface interactions. This has been applied for a test case where a single layer of onion cells is exposed to the ionization waves generated by the non-thermal plasma jet.

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone. / The purpose of this master thesis is to characterize the axial distribution of tubular discharges at atmospheric pressure sustained by electromagnetic surface wave and to explore their potential for materials and nanomaterials synthesis. A previous doctoral thesis, aimed at determining the mechanisms driving radial plasma contraction in rare gas discharges shed light on a yet unknown phenomenon occurring in surface wave discharges (SWD). As a matter of fact, increasing the power injected into the system leads to a change of the axial distribution of the discharge, in sharp contrast with the behavior commonly observed in reduced-pressure plasmas. In this context, we have performed a parametric investigation of atmospheric pressure SWD sustained in Ar gas. Based on our axially-resolved measurements of the electron density, excitation temperature, and number density of Ar atoms in metastable state (Ar 3P2), we found that the peculiar change of the axial distribution of the light intensity with power is not linked to a modification in the discharge kinetics (linked to the electron temperature and metastable number density) but rather to an anomalous power deposition (linked to the electron density). More specifically, such anomalous power deposition can be attributed to a wave reflection in the high gradient of charged particle densities near the end of the plasma column; a behavior that is more apparent in short plasma columns. Then, we have realized a parametric investigation of the discharge with the addition of organic precursors. Particularly, we used HMDSO for organo-silicon material synthesis and TTIP for organo-titanium material synthesis. It is found that because SWD are characterized by high charged particle densities (>10^13 cm^-3), higher precursor dissociation rates can be achieved with respect to other cold, atmospheric-pressure plasmas such as low-density dielectric barrier discharges. In this case, powder-like nanomaterials with sizes below 100 nm are obtained. Moreover, the addition of small amounts of oxygen into the discharge leads to the formation of round-like silicon oxide or titanium oxide nanoparticles.

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone. / The purpose of this master thesis is to characterize the axial distribution of tubular discharges at atmospheric pressure sustained by electromagnetic surface wave and to explore their potential for materials and nanomaterials synthesis. A previous doctoral thesis, aimed at determining the mechanisms driving radial plasma contraction in rare gas discharges shed light on a yet unknown phenomenon occurring in surface wave discharges (SWD). As a matter of fact, increasing the power injected into the system leads to a change of the axial distribution of the discharge, in sharp contrast with the behavior commonly observed in reduced-pressure plasmas. In this context, we have performed a parametric investigation of atmospheric pressure SWD sustained in Ar gas. Based on our axially-resolved measurements of the electron density, excitation temperature, and number density of Ar atoms in metastable state (Ar 3P2), we found that the peculiar change of the axial distribution of the light intensity with power is not linked to a modification in the discharge kinetics (linked to the electron temperature and metastable number density) but rather to an anomalous power deposition (linked to the electron density). More specifically, such anomalous power deposition can be attributed to a wave reflection in the high gradient of charged particle densities near the end of the plasma column; a behavior that is more apparent in short plasma columns. Then, we have realized a parametric investigation of the discharge with the addition of organic precursors. Particularly, we used HMDSO for organo-silicon material synthesis and TTIP for organo-titanium material synthesis. It is found that because SWD are characterized by high charged particle densities (>10^13 cm^-3), higher precursor dissociation rates can be achieved with respect to other cold, atmospheric-pressure plasmas such as low-density dielectric barrier discharges. In this case, powder-like nanomaterials with sizes below 100 nm are obtained. Moreover, the addition of small amounts of oxygen into the discharge leads to the formation of round-like silicon oxide or titanium oxide nanoparticles.

Le thème principal de cette thèse est l'étude des propriétés d'une décharge capacitive Radio Fréquence à pression atmosphérique dans l'argon. Dans ces conditions où le produit pression•distance est de l'ordre de 150 Torr.cm, la décharge a tendance à former une multitude de filaments localement chauds. En pulsant le générateur RF avec une période et une durée adéquates, il est possible de contrôler la transition du mode filament au mode homogène afin d'obtenir un plasma diffus et stable.<br />L'espace inter-électrode de 2 mm est ouvert sur l'air ambiant et alimenté en argon par une centaine d'orifices submillimétriques répartis régulièrement sur l'électrode supérieure. Cette configuration permet d'effectuer un traitement de la surface de films polymères en ligne, sans éteindre la décharge entre les échantillons successifs. Une augmentation importante et durable du caractère hydrophile est rapidement obtenue sans risque d'endommager le polymère.<br />Le diagnostic du plasma est effectué par spectroscopie d'émission et par mesures électriques. L'élargissement de Stark de la raie d'hydrogène Balmer β permet d'estimer la densité électronique dans les filaments à 10^15/cm3. Pour le mode homogène, une approximation basée sur l'équilibre entre la puissance RF transmise et dissipée par le plasma conduit à une densité de 5×10^11/cm3. Les rapports d'intensité des lignes spectrales d'argon neutre et d'ion Ar+ sont introduits dans l'équation de Saha pour calculer la température électronique. Dans le mode homogène la température estimée à 1.3 eV est légèrement plus faible que dans les filaments à 1.7 eV.<br />Un modèle fluide auto-cohérent unidimensionnel est également développé pour étudier plus précisément le comportement de la décharge dans son mode homogène. L'équation de Poisson pour le champs électrique est couplée aux premiers moments de l'équation de Boltzmann (équation de continuité, équation de dérive-diffusion et équation d'énergie). Les coefficients de transport et de réaction sont obtenus à partir de l'énergie moyenne des électrons.<br />Le modèle est appliqué à une cinétique chimique réduite de l'argon contenant les principaux processus d'ionisation et d'excitation. Les résultats de simulations sont en bon accord avec les mesures expérimentales. La décharge RF atmosphérique est comparable aux décharges RF classiques basse pression dans lesquelles l'ionisation a majoritairement lieu dans les gaines oscillantes, là où les électrons ont le plus d'énergie.

L'objectif de cette thèse est de fournir une meilleure compréhension des différents phénomènes physiques liés aux microplasmas/microdécharges. Pour cela, des matrices de microréacteurs sur silicium ont été étudiées. De nombreuses configurations ont été construites de manière à analyser l’influence de chaque paramètre physique sur le fonctionnement de ces dispositifs. Le présent travail porte sur l'élaboration et la caractérisation de dispositifs micro-décharge à base de silicium. Dans ce travail de thèse, les régimes de courant continu (DC) et de courant alternatif (AC) sont étudiés en utilisant des configurations de décharges différentes. Pour la fabrication de ces réacteurs, nous sommes partis de wafers de Silicium que nous avons structurés et traités en salle blanche. La technologie de fabrication utilisée est compatible avec les méthodes de fabrication de dispositifs CMOS. Les microréacteurs sont constitués d’électrodes de nickel et de silicium séparés par une couche diélectrique de SiO2 de 6 μm d’épaisseur. L’épaisseur du diélectrique est ici beaucoup plus faible que celle des microréacteurs étudiés jusqu’à présent. Les dispositifs sont constitués de cavités de 25 à 150 microns de diamètre. Les essais de microdécharge ont été effectués dans des gaz inertes à une pression comprise entre 100 et 1000 Torrs. Nous avons d’abord étudié les phénomènes d’allumage et d’extinction à partir de microdispositifs monocavité en alumine. Puis, nous avons étudié le fonctionnement en DC/AC de microréacteurs en silicium comportant un nombre de cavité compris entre 1 et1024. Les caractéristiques des microdécharges ont été étudiées grâce à des mesures électriques, des mesures de spectroscopie d'émission optique (OES), de spectroscopie d’absorption à diode laser (DLAS) et de spectroscopie d'émission optique résolue en temps (PROES). Ces différents diagnostics nous ont permis de mettre en évidence les phénomènes d’allumage, d’extinction, d’instabilité et les mécanismes de défaillance de nos microdispositifs. Ce travail de thèse a permis de tester les performances et les limites technologiques des matrices de microdécharges sur silicium. Une attention particulière a été portée sur leur durée de vie. / The objective of this thesis is to provide a better understanding of various physical phenomena related to microplasmas/microdischarges. For this purpose, arrays of microreactors on silicon were studied. Different array configurations were fabricated to analyse the influence of each parameter on the physical operation of these devices. The present work focuses on the development and characterisation of micro-discharge devices based on silicon. In this thesis, direct current (DC) and alternating current (AC) regimes are studied using different discharge configurations. For the fabrication of these reactors, Silicon wafers are structured and processed in a cleanroom. Fabrication technology used is compatible with the CMOS technology. The microreactors are fabricated with nickel and silicon electrodes, separated by a dielectric layer of SiO2 with a thickness of 6 μm. The thickness of the dielectric is much lower here than the microreactors studied so far. The devices consist of cavities with 25 to 150 μm in diameter. Experiments of the microdischarges are performed in inert gases at a pressure between 100 and 1000 Torr. We first studied the phenomena of ignition and extinction for the microdevices based on alumina. Then, we studied the microreactors based on silicon containing 1 to 1024 cavities under DC and AC regimes. Characteristics of microdischarges were studied by electrical measurements, measurements of optical emission spectroscopy (OES), laser diode absorption spectroscopy (DLAS) and phase resolved optical emission spectroscopy (PROES). These diagnostics allowed us to investigate the phenomena of ignition, extinction, instability and failure mechanisms of the microplasma devices. This thesis work allowed testing the performance and technological limitations of the silicon based microdischarge arrays. Particular attention was paid to their life time.