Academic literature on the topic 'Procédé plasma, modélisation'

Les travaux présentés dans ce mémoire concernent l'étude d'un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par un plasma froid radiofréquence (RF) dans un mélange oxygène-hexaméthyldisiloxane (HMDSO) à basse pression, destiné à l'élaboration de couches minces d'oxyde de silicium sur des substrats métalliques. Un modèle fluide est tout d'abord développé pour décrire le comportement de la décharge au cours d'une période RF, et en particulier l'évolution du champ électrique et des densités des espèces chargées. Grâce à ce modèle, l'importance relative du bombardement ionique des électrodes et du phénomène de "wave-riding" pour la production d'électrons est mise en évidence et permet de définir des conditions de fonctionnement qui tendent à minimiser le bombardement des électrodes. Dans une seconde partie, la mise en œuvre de moyens de caractérisation tels que la spectroscopie d'émission optique et la spectroscopie d'absorption infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) permet d'estimer le taux de dissociation du monomère organosilicié et d'obtenir des renseignements sur les mécanismes de dissociation du précurseur organique. Des analyses FTIR des films déposés sont couplées aux analyses de la phase gazeuse et permettent d'établir des corrélations entre la nature des films déposés et la composition chimique du plasma. Ces résultats sont complétés par l'établissement d'un modèle décrivant la cinétique chimique des neutres du plasma 02/HMDSO, à partir duquel l'évolution, dans l'espace interélectrodes, de la concentration de différentes espèces moléculaires est calculée, afin de prédire l'enrichissement en carbone des films déposés
The presented works deal with the investigation of a low pressure oxygen-hexamethyldisiloxane radio- frequency plasma assisting a chemical vapour deposition process used to deposit silicon oxide thin films onto metallic substrates. The first step consists in developing a fluid model to describe the plasma behaviour over a RF period. A particular attention is pa id to the time variation of the electric field and the charged particle densities. Moreover, the relative influence of the electrode ion bombardment and the wave-riding process on the secondary electron creation is pointed out and helps determine working conditions where ion impingement on the electrodes is reduced. Ln a second step, the plasma is studied by means of optical emission spectroscopy and Fourier transform infra-red absorption spectroscopy (FTIR). From the experimental results, the dissociatio~ rate of the organo-silicon monomer is estimated and valuable insights into the dissociation mechanisms of the organic precursor are obtained. FTIR analyses of the deposited films are carried out and coupled with the gas phase characterization, providing correlations between the film and the plasma compositions. These results are completed by a kinetic modelling of the neutral species in the 02/HMDSO plasma. This numerical simulation corn putes the variation of the main species density over the inter-electrode space and especially in the close vicinity of the substrate, allowing prediction of the carbon incorporation in the films

Ce travail porte sur la modélisation tridimensionnelle et instationnaire du procédé de projection par plasma d'arc. Nous situons d'abord celui-ci parmi les autres procédés de projection thermique et détaillons les principaux phénomènes qui contrôlent le traitement de la poudre et la construction du dépôt. L'étude bibliographiquer fait, ensuite, l'état de l'art sur la modélisation de ce procédé et en dégage les points clés à retenir pour un modèle " réaliste ". Nous présentons alors le modèle développé et la chaine logicielle ESTET 3. 4 utilisée pour résoudre les équations du modèle. Puis, nous discutons l'influence des paramètres du modèle et des paramètres opératoires sur la modélisation du jet plasma s'écoulant dans l'air ambiant, le traitement des particules et la construction du dépôt. Enfin, nous appliquons ce modèle à une simulation d'un dispositif expérimental utilisant 2 torches à plasma destiné à tester la tenue d'un marériau composite à un flux de gouttelettes d'alumine
This work is devoted to the three-dimensional and time-dependent modeling of the plasma spray process. First, the various thermal spray technologies are described as well as the main phenomena that control the treatment of the powder and formation of the coating in plasma spraying. Then, a review of the models of this process proposed in the litterature is presented. It makes it possible to determine the key points that have to be taked into account to develop a "realistic" model. After our model is set out as well as the main results we have obtained by using the code ESTET 3. 4. These results deal with the effect of the parameters of the model and operating parameters on the plasma flow issuing in air, acceleration and heating of particles and coating formation. Lastly, the model is applied to the numerical study of an experimental device integrating two d. C. Plasma torches and used to test the behaviour of a composite material subjected to a jet of alumina droplets

Ce travail porte sur l’étude d’un procédé innovant de pyro-gazéification de bio-huile utilisant un plasma thermique, afin de produire un gaz riche en CO/H2. Plus précisément, cette thèse vise à comprendre et modéliser les mécanismes jouant un rôle clé lors de la transformation thermochimique de bio-huile dans un écoulement plasma. Tout d’abord, une étude bibliographique portant sur la phénoménologie et la modélisation des interactions plasma – liquide a été réalisée. Elle a conduit à la définition d’une double approche, expérimentale et numérique. Les études expérimentales ont permis d’identifier trois paramètres influents lors de la conversion de molécules organiques en milieu plasma : le rapport entre l’enthalpie spécifique du jet de plasma et l’enthalpie réactionnelle, la nature du gaz plasmagène et le mode d’injection des réactifs. Enfin, les résultats numériques, obtenus avec le code de mécanique des fluides Fluent, viennent confirmer et extrapoler les tendances expérimentales
This work is devoted to the study of an innovating allothermal process consisting in the thermochemical transformation of bio-oil by using thermal plasma in order to produce a high-value syngas. More precisely, the present study aims to understand and model the mechanisms playing a key role in the gasification of a liquid jet of bio-oil injected in a plasma cross-flow. First, a literature survey on the phenomena and modelling of the plasma – liquid interactions is presented. It led to the definition of a methodology combining an experimental and a numerical approach. The experimental works showed the effect of three main parameters during the conversion of organic compounds under thermal plasma conditions: the ratio between the specific plasma enthalpy to reaction enthalpy, the nature of the plasma-forming gas and the geometry of bio-oil injection. Lastly, the numerical results, obtained with Fluent software, confirmed and made it possible to extrapolate the experimental trends. Nships between the 3rd order NLO properties of tellurites and their structural arrangements (entities connection, tellurium lone pair)

Ce travail de thèse double culture s’inscrit dans le cadre de la Transition Énergétique vers un modèle intégrant les potentiels de production de biogaz. Il est consacré à l’étude de la technologie plasma-catalyse de reformage du méthane en présence du dioxyde de carbone en carburants liquides. Une étude géomatique a été développée afin de réaliser la cartographie des zones agricoles potentiellement productrices de biogaz en France. Les résultats révèlent que la cogénération et l’injection du bio-méthane dans le réseau gazier permettent de valoriser seulement 43% du potentiel total en biogaz issu des déchets agricoles en France. La transformation du biogaz en carburants liquides stockables et transportables, à l’aide d’un dispositif pouvant être installé dans des territoires ruraux éloignés, permettrait de tirer davantage de profit de ce potentiel. Les décharges plasma permettent de développer une réactivité suffisante pour exciter et dissocier les molécules du biogaz dans les conditions requises. Un modèle cinétique a été développé afin de déterminer les paramètres du plasma et l’évolution temporelle des espèces réactives ainsi que les processus de conversion du biogaz. Un procédé de Décharge à Barrière Diélectrique Surfacique a été réalisé pour la transformation de mélange de CH₄ et de CO₂ représentatif du biogaz. Les principaux produits gazeux sont CO, H₂, C₂H₆ et C₂H₄ et les principaux produits liquides, représentant 3% à 8% de la masse de biogaz transformé, sont le méthanol, l’isopropanol, l'éthanol et l'acétaldéhyde. L’efficacité énergétique dépendant des paramètres opératoires et varie entre 2% et 9%. L’Energie Spécifique Injectée est le paramètre le plus influent sur l’efficacité énergétique du procédé ainsi que sur la distribution des produits. L’ajout de la vapeur d'eau, précurseur d’espèces actives telles que : OH, O et O-, apporte une nette amélioration des taux de conversion à un coût énergétique égal à 26 eV/molécule. Nous avons étudié le couplage plasma-catalyse par l’emploi de 12 catalyseurs solides. Nous avons élaboré par le procédé Fluidized Spray Plasma des catalyseurs tels que : X%CuO-Y%ZnO/Al₂O₃, TiO₂/SiO₂ et Ag/TiO₂/SiO₂. Ces catalyseurs, ainsi que des catalyseurs élaborés par d’autres techniques ont été caractérisés et testés dans le réacteur SDBD. Il en ressort que la nature du catalyseur affecte peu la conversion du biogaz mais elle modifie la distribution des produits liquides. La meilleure sélectivité en méthanol a été obtenue en utilisant le Pt/Al₂O₃ (élaboré par voie polyol) puis en utilisant le CuO/Al₂O₃ et le 60%Cu-40%ZnO/Al₂O₃
This double culture thesis, merging geography and physics is achieved in the frame of the Energy Transition towards a model integrating biogas production potentials. It is devoted to the study of plasma-catalysis technology for reforming methane in the presence of carbon dioxide to liquid fuels. A geomatic study has been developed to map agricultural areas potentially producing biogas in France. The results reveal that cogeneration and injection of bio-methane into the gas network allows recovering only 43% of the total biogas potential from agricultural waste in France. The transformation of biogas into storable and transportable liquid fuels, using a device that can be installed in remote rural areas, would make more use of this potential. Plasma discharges allows developing sufficient reactivity to excite and dissociate the molecules of the biogas under the required conditions. A kinetic model has been developed to determine plasma parameters and temporal evolution of reactive species as well as biogas conversion processes. A Surface Dielectric Barrier Discharge (SDBD) process was developed for the transformation of CH₄ and CO₂ mixture representative of the biogas. The main gaseous products are CO, H₂, C₂H₆ and C₂H₄ and the main liquid products, representing 3% to 8% of the transformed biogas mass, are methanol, isopropanol, ethanol and acetaldehyde. The energy efficiency depends on the operating parameters and varies between 2% and 9%. Specific Injected Energy is the most influential parameter on the energy efficiency of the process as well as on products distribution. The addition of water vapor, a precursor of active species such as: OH, O and O-, improves the conversion and allows obtaining energy consumption equal to 26 eV/molecule. Plasma-catalysis was also studied by the use of 12 solid catalysts. The Fluidized Spray Plasma process was used to develop catalysts such as X% CuO-Y% ZnO/Al₂O₃, TiO₂/SiO₂ and Ag/TiO₂/SiO₂ by. These catalysts as well as catalysts made by other techniques have been characterized and tested in the SDBD reactor. The main result is that the nature of the catalyst does not affect the conversion of the biogas but it modifies liquid products composition. The best methanol selectivity was obtained using Pt/Al₂O₃ (made by polyol) followed by CuO/Al₂O₃ and then 60% Cu-40% ZnO/Al₂O₃

Le projet PERSE (Plasma Enhanced Recovery of Strategic Elements) vise à développer un procédé métallurgique permettant de récupérer de manière sélective les éléments métalliques d’intérêts contenus dans les DEEE (déchets d’équipements électriques et électroniques). Ce procédé doit pouvoir s'adapter à plusieurs types de matériaux provenant des DEEE
The PERSE (Plasma Enhanced Recovery of Strategic Elements) project aims to develop a metallurgical process for the selective recovery of metallic elements of interest contained in WEEE (waste electrical and electronic equipment). This process must be able to adapt to several types of materials from WEEE

Dans le cadre d’une collaboration entre l’Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN) et STMicroelectronics Tours, cette étude vise à développer un simulateur de gravure du silicium par procédé Bosch. Actuellement utilisé dans le domaine de la microélectronique pour la gravure de vias, le procédé Bosch est un procédé pulsé de gravure par plasma. Un plasma de SF₆ permet la gravure du silicium par voie chimique, par adsorption de fluor atomique en surface du silicium pour créer des molécules volatiles. Un second plasma de C₄F₈ permet de protéger la surface exposée au plasma de gravure chimique, à l’aide d’un dépôt de polymère de fluorocarbonés. Ce polymère est supprimé dans la zone exposée au bombardement ionique. La répétition de pulses SF₆/C₄F₈ permet alors la création de motifs à fort facteur de forme (plus profonds quelarges).Afin de mieux connaître les mécanismes physico-chimiques qui régissent ce procédé, nous avons développé un simulateur de gravure basé sur une approche multi-échelle. Cet outil sert à reconstituer des profils de gravure en fonction des conditions opératoires renseignées (pression, puissance, débit, géométrie du réacteur). Le modèle cinétique calcule les densités et flux d’espèces neutres et ioniques crées dans le plasma. Le modèle de gaine détermine les fonctions de distributions énergétiques et angulaires des ions. Le modèle de surface détermine l’évolution spatio-temporelle des structures gravées par procédé Bosch. Pour calibrer le simulateur, des campagnes expérimentales ont été réalisées à l’IMN sur la phase plasma, ainsi que sur le site STMicroelectronics Tours, sur l’impact des conditions opératoires sur l’évolution des profils de gravure
Due to a collaborationbetween IMN of Nantes and STMicroelectronics Tours, the aim of this study is the development of silicon etching simulator using Bosch process Nowadays used for microelectronics devices such as 3D capacitors or vias, Bosch process is a cyclic plasma etching process. Two plasmas are needed, a SF₆ plasma to etch silicon by chemical way, using mainly chemical processes. A C₄F₈ plasma which allows the deposition of fluorocarbon species into a “Teflon-Like” polymer, to passivate sidewalls of the trenches and protect them from chemical etching. This polymer is removed by ion bombardment. By the repetition of a large amount of SF₆/C₄F₈pulses, the process leads to the creation of features with a high aspect ratio (a high depth for a low aperture).To develop an intimate knowledge about physical and chemical interactions involved in Bosch process, we develop a simulation tool based on a multiscale approach. This software allows to track the etch profile evolution versus operating conditions (pressure, power, flow rate, reactor diameter and height). Kinetic model provides space-avergaed values of plasma paramters at steady state. Sheath model determines ion energy and angular distribution functions. Surface model manages these data to know temporal evolution of a representative feature into the substrate surface exposed to Bosch process. To validate the model, we carried out some experiments at IMN, dedicated to plasma phase measurements, and at STMicroelectronics Tours, dedicated to the study of the influence of theoperating conditions on the etch profile evolution

Dans ce travail, la modélisation, la simulation, l'optimisation dynamique et le contrôle d'un processus d'évaporation réactif assisté par plasma (PARE) pour le dépôt de couches minces d'oxyde de zinc (ZnO) sont proposés. Initialement, un modèle dimensionnel à l’état instable a été développé pour le processus. Ce modèle applique des équilibres dynamiques des matériaux au processus et tient compte du transfert de masse par diffusion et convection, ainsi que des réactions en masse et en surface, afin de déterminer l’évolution temporelle de la concentration de l'espèce (O_2(g) , O_((g))^., O_((g))^-, 〖Zn〗_((g)), 〖Zn〗_((g))^+ and 〖ZnO〗_((g))) présente dans l’ensemble du réacteur et calcule l’épaisseur finale du film. Le cas d'étude correspond à un réacteur pilote exploité par le groupe de recherche sur les matériaux semi-conducteurs et l'énergie solaire (SM & SE) de l'Université nationale de Colombie, où les couches minces de ZnO sont utilisées pour la fabrication de différents types de cellules solaires (cellules solaires inorganiques inversées, cellules solaires organiques et cellules solaires à base de pérovskite). Les équations sont discrétisées spatialement en utilisant des méthodes de différences finies, puis mises en œuvre et résolues dans le temps en utilisant Matlab®. Les résultats de la simulation sont validés au moyen de COMSOL MULTIPHYSICS® qui calcule les mêmes résultats. Cependant, pour compléter les autres objectifs du projet, il continuera à utiliser la méthode des différences finies sous Matlab® car elle offre plus de flexibilité dans la perspective de l'optimisation dynamique et du contrôle du processus PARE. Pour corroborer le modèle, des mesures expérimentales de l'épaisseur du film de ZnO ont été effectuées à l'aide d'un moniteur d'épaisseur sur un réacteur pilote conçu et mis en œuvre par le groupe de recherche sur les matériaux semi-conducteurs et l'énergie solaire (SM & SE) de l'Université nationale de Colombie. Après 90 minutes de temps de dépôt, les résultats simulés et les mesures expérimentales montrent un très bon accord : une différence d'environ 20 nm autour de l'épaisseur finale du film mince, montrant ainsi la grande précision du modèle développé. Le problème d'optimisation dynamique est transformé en un problème de programmation non linéaire (PNL) à l'aide du procédé CVP, c'est-à-dire que les variables de contrôle sont approximées à l'aide de fonctions constantes par morceaux. Il est ensuite implémenté dans Matlab et résolu à l’aide de fmincon optimizer. Deux problèmes d’optimisation différents sont proposés. Dans le premier problème, le débit de Zn (V_(w,Zn)) est considéré comme une variable de contrôle ou manipulée u(t) et dans le deuxième problème, le débit de Zn (V_(w,Zn)) et le débit d'oxygène 〖(V〗_(w,O_2 )) sont considérés comme des variables manipulées. Les contraintes de qualité sont établies en fonction des études expérimentales réalisées afin de déterminer les propriétés du produit final telles que la transmittance, la résistivité, l’épaisseur du film et les paramètres du réacteur. Deux problèmes d’optimisation sont résolus en prenant comme variable de contrôle le débit de Zn et le débit d’oxygène afin de minimiser le temps de traitement par lot, tandis que certaines propriétés souhaitées du film mince (transmittance, résistivité et épaisseur) satisfont aux contraintes définies. Le temps de traitement par lot a été réduit de 15% par rapport aux conditions de fonctionnement actuelles du groupe de recherche sur les matériaux semi-conducteurs et l’énergie solaire. Enfin, les profils optimaux du débit de Zn et du débit d'oxygène obtenus dans la partie optimisation ont été utilisés pour développer et simuler un algorithme de contrôle réglementaire à l'aide de la boîte à outils Simulink de Matlab®. [...]
In this work the modeling, simulation, dynamic optimization and control of a Plasma Assisted Reactive Evaporation process (PARE) for the deposition of Zinc Oxide (ZnO) thin films are proposed. Initially, a dimensional unsteady-state model was developed for the process, this model apply dynamic material balances to the process and accounting for diffusive and convective mass transfer, and bulk and surface reactions in order to establish the space-time evolution of the concentration of the species (O_2(g) , O_((g))^., O_((g))^-, 〖Zn〗_((g)), 〖Zn〗_((g))^+ and 〖ZnO〗_((g))) present throughout the reactor and compute the final film thickness. The case of study corresponds to a pilot reactor operated by the Semiconductor Materials and Solar Energy Research Group (SM&SE) of the Universidad Nacional de Colombia where the ZnO thin films are used for the fabrication of different kind of solar cells (inverted inorganic solar cells, organic solar cells and perovskite based solar cells). The equations are spatially discretized using finite difference methods and then implemented and solved in time using Matlab®. The simulation results are validated by means of COMSOL MULTIPHYSICS® which computes the same results; However, to complete the others objectives of the project it will keep using the finite difference method under Matlab® because it offers more flexibility in the perspective of dynamic optimization and control of PARE process. To corroborate the model, experimental measurements of ZnO film thickness were carried out using a thickness monitor on a pilot reactor designed and implemented by the Semiconductor Materials and Solar-Energy (SM&SE) Research Group at Universidad Nacional de Colombia. After 90 min of deposition time the simulated results and the experimental measurements exhibit a very good agreement, just around 20 nm discrepancy in the final thin film thickness hence showing the high accuracy of the developed model. The dynamic optimization problem is transformed into a non-linear programming (NLP) problem using the CVP method, i.e. the control variables are approximated by means of piecewise constant functions. It is then implemented within Matlab and solved using fmincon optimizer. Two different optimization problems are proposed., in the first problem Zn flow rate (V_(w,Zn)) is considered as control or manipulated variables u(t) and in the second problem both Zn flow rate (V_(w,Zn)) and Oxygen flow rate 〖(V〗_(w,O_2 )) are considered as manipulated variables. Quality constraints are established according to experimental studies that were performed in order to determinate the final product properties such as Transmittance, Resistivity, Film thickness and reactor parameters. Two optimization problems are solved taking as control variable the Zn flow rate and Oxygen flow rate in order to minimize batch time while some thin film desired properties (transmittance, resistivity and thickness) satisfy the defined constraints. The batch time was reduced in a 15% with respect to the current operating conditions used by the Semiconductor Materials and Solar Energy research Group. Finally, the optimal profiles of the Zn flow rate and Oxygen flow rate that were obtained in the optimization part were used to develop and simulated a regulatory control algorithm using the Simulink toolbox of Matlab®. The results obtained in the simulation of the control algorithm show that the designed controller has an appropriate performance by following the optimal flow trajectories and the ideal ratio of Oxygen and Zinc

Ce travail est consacre a une modelisation tridimensionnelle du procede de projection par plasma thermique a l'aide d'un logiciel commercial, estet. Nous decrivons d'abord les principaux phenomenes qui interviennent dans ce procede d'elaboration de depots, tant pour la formation du jet de plasma que pour le traitement des particules dans le jet et leur impact sur le substrat. L'etude bibliographique fait ensuite le point sur les principaux modeles developpes pour simuler certains aspects du procede de projection plasma et souligne la difficulte de developper un code generaliste. Apres avoir presente brievement les principales caracteristiques du code estet et les adaptations que nous avons apportees, nous etudions l'interaction du jet de plasma avec le gaz ambiant, son interaction avec le gaz porteur de poudre et son interaction avec la cible. Nous nous interessons ensuite a l'influence de la variation des conditions de projection sur le traitement de la poudre pour des conditions industrielles de projection. L'etude de l'injection montre les limitations des modeles bidimensionnels pour predire correctement la position et la taille de la tache d'impact des particules sur le substrat. Enfin, nous etudions l'effet sur le traitement des particules des fluctuations du jet induites par le mouvement du pied d'arc dans la tuyere, a l'aide d'un modele bidimensionnel transitoire. Au cours des differentes etapes de la simulation, une comparaison des resultats numeriques aux mesures effectuees au laboratoire permet de valider le code dans le cadre de la projection par plasma.