Tandis que dans l’azote, la décharge est de type Townsend, dans l’hélium la décharge présente la structure d’une décharge luminescente (DLPA). Cette différence s’explique par un degré d’ionisation maximal du gaz de l’ordre de 10-11 dans N
2 et de 10-8dans l’He. Dans les deux cas, un claquage de Townsend
est à l’origine de la décharge. Ce claquage est obtenu si l’effet mémoire d’une décharge à la suivante est suffisamment important.
Il est important de noter que dès l’amorçage jusqu’au maximum du courant, la lumière est maximale à la cathode dans le cas de la DLPA. Dans He (Figure III-17), trois zones peuvent être distinguées : de l'anode à la cathode, il y a d'abord une zone faiblement lumineuse, puis un espace sombre et enfin une zone très lumineuse près de la cathode. Une telle structure est similaire à celle d'une décharge luminescente obtenue à basse pression, les trois zones étant, respectivement, une colonne positive, un espace sombre de Faraday et une lueur négative à la cathode.
Cette répartition spatiale est expliquée grâce aux travaux menés par le passé qui semblent montrer que, dans les décharges de gaz rares (argon, hélium), les espèces chargées (ions et dans une moindre mesure les électrons) sont piégés dans la colonne positive. Ceci permet un effet mémoire d’une décharge à la suivante, ces espèces chargées influençant le maintien d’une décharge homogène à la suivante [19].
Figure III-16 : Densité électronique modélisée, moyennée dans l'espace inter-diélectriques en fonction du temps, en décharge de Townsend adaptée de [20]
La Figure III-18 présente l’évolution du courant de décharge et de la tension gaz en fonction de la tension appliquée sur les électrodes en DLPA. Le courant de décharge présente un seul pic de courant par demi-période de la tension appliquée mais d’une durée plus courte.
La Figure III-19 présente la distribution spatiale du champ électrique calculé au maximum du courant, de la densité électronique et de la densité de He2+, espèce ionique dominante dans la décharge. Le
champ électrique présente une distribution spatiale typique d’une décharge luminescente.
On peut en effet distinguer, de la cathode à l'anode, les quatre régions typiques d’une décharge luminescente :
Figure III-18 : Tension appliquée (Va), tension gaz (Vg) et courant de décharge (Idech) dans le cas (a) d'une DLPA [113]
Figure III-19 : Variation spatiale de la densité d’ions et d’électrons et champ électrique modélisés au maximum de courant en DLPA [21]
2. Une lueur négative de 0.4 mm de longueur, dans laquelle la densité ionique et électronique est de l’ordre de 1011cm-3 ;
3. Un espace sombre de Faraday (1.1 mm), dans lequel une faible charge d’espace négatif se forme ;
4. Une colonne positive (2.7 mm) où le champ électrique est uniforme (700 V/cm) ; dans cette région, on observe une diminution de la mobilité des électrons à cause de leurs interactions avec les ions (2.1010 cm-3) (diffusion ambipolaire).
Dans les décharges obtenues en gaz rare, un mélange Penning est obligatoire pour l’établissement ainsi que l’entretien d’une décharge homogène. La réaction fait intervenir l'interaction d'un gaz monoatomique avec un autre, moléculaire. Ce type d'ionisation est possible seulement si la molécule en question a un seuil d'ionisation plus bas que l'énergie interne d'un atome dans un état excité. Dans le cas de l’hélium, les niveaux énergétiques très importants des métastables (19.82 eV pour He(23S) et 20.61 eV pour
He(21S)) font qu’ils peuvent potentiellement ioniser toutes impuretés présentes dans le mélange plasmagène
par ionisation Penning : [25] 𝐻𝑒(23𝑆) + 𝑁
2 → 𝐻𝑒 + 𝑁2++ 𝑒− Équation III-1
La présence de métastables et d'impuretés assure la création d'électrons germes en quantité suffisante pour générer une décharge sous faible champ avec un claquage de type Townsend. Cette faible tension de claquage ainsi qu'une légère surtension pour entretenir la décharge empêche un claquage de type streamer malgré la haute pression. L'activité permanente des métastables permet d'entretenir la décharge en fournissant un nombre d'électrons germes suffisant d'une décharge à la suivante. Pour résumer, les principales caractéristiques des décharges luminescentes (DLPA) sont données dans le Tableau III-2.
Tableau III-2 : Caractéristiques d’un canal d’une décharge de Townsend a la Pression Atmosphérique et d’une décharge Luminescente a la Pression Atmosphérique [19]
DTPA DLPA
Durée Dizaine de µs Quelques µs
Densité électronique maximale
(cm-3) 10
7 – 108 1010 - 1011
Densité ionique maximale (cm-3) 1010
Plasma neutre Non Colonne positive
Densité de métastables (cm-3) 1013 1010
Densité de courant (mA/cm²) 0.1 à 10 10 à 100
Gaz vecteur N2, air, N2O Mélange Penning, He, Ar, Ne
Gap < 2 mm > 2 mm
Fréquence < 10 kHz > 1 kHz
Puissance à 10 kHz ≈ W.cm-3 ≈ 0.1 W.cm-3
Plasma jet
Les jets de plasma à pression atmosphérique, également nommés plumes de plasma, sont issus de sources récentes dans l'histoire des plasmas. Il s’agit de plasmas froids ayant la capacité de s’étendre de quelques millimètres à plusieurs centimètres directement à l’air libre. Dans le cadre d’applications, cette faculté permet de mettre le plasma directement au contact ou à proximité directe de l’objet de l’étude. De plus, en interagissant dans l’air ambiant, les jets créent de nombreuses espèces réactives mettant en place un milieu chimiquement riche dans et autour de la plume. Du fait de leurs capacités particulières, ils font également l’objet d’études dans une large variété de domaines de recherche tels que la biomédecine [26], la synthèse de nanomatériaux [27], [28], la modification de surface [13], le dépôt de couches minces [29].
Le premier jet de plasma de la littérature est introduit par Koinuma et al. en 1992 [30]. Il s’agit d’un tube de quartz avec une électrode interne alimentée en radiofréquence (RF) et une électrode externe reliée à la masse. Le gaz de décharge est alors un mélange composé majoritairement d’hélium, et utilisé pour la gravure du silicium. C’est au cours des années 2000, que l’attention portée sur les jets de plasma a augmenté