Traitement des surfaces avec un plasma à pression atmosphérique froide à l’aide du COST-Jet

Ici, nous démontrons l’utilisation d’un jet de plasma à pression atmosphérique pour les traitements de surface de différents matériaux. La configuration expérimentale d’un jet de plasma à pression atmosphérique peut avoir un effet considérable sur les paramètres, la chimie et les performances du plasma et, par conséquent, influencer le résultat des traitements au plasma et constitue une étape critique du protocole.

À titre d’exemple, les conduites d’alimentation en gaz jouent un rôle important en ce qui concerne l’impureté la plus courante dans le gaz d’alimentation du plasma qui est l’humidité. En particulier, la production d’espèces azotées réactives dans le plasma est réduite tandis que la production d’espèces réactives de l’oxygène est favorisée, en raison de la faible énergie d’ionisation de l’oxygène par rapport aux molécules d’eau et à l’azote^35. Winter²⁴ a découvert que l’humidité des gaz d’alimentation provenant des molécules d’eau à la surface de la chambre à air est d’un ordre de grandeur plus élevé en utilisant des tubes polymères par rapport aux tubes métalliques en raison de la porosité et de la capacité de stockage plus élevées. Il peut être réduit en rinçant les conduites avec du gaz d’alimentation. Cependant, le séchage de la ligne par rinçage prend quelques heures. Par conséquent, les tubes polymères doivent être évités ou au moins maintenus aussi courts que possible. Ces résultats sont soulignés par des études de Große-Kreul²⁵. Ils ont comparé l’effet des tubes en polyamide et en acier inoxydable sur la chimie du plasma en utilisant la spectrométrie de masse. Leurs mesures confirment la formation d’ions de grappes d’eau dans le plasma en raison du dégazage de l’eau des tubes polymères et des temps de séchage plus rapides avec les tubes métalliques. En outre, ils ont étudié l’effet des méthodes de purification des gaz telles qu’un piège à tamis moléculaire et un piège à froid à azote liquide sur la chimie du plasma, ce qui a contribué à réduire la quantité d’impuretés d’environ deux ordres de grandeur.

Au lieu d’essayer de purifier le gaz d’alimentation, il existe également l’approche consistant à ajouter une quantité contrôlée d’humidité. Comme cette impureté intentionnelle domine alors les impuretés naturelles et contrôle ainsi la chimie du plasma, des conditions reproductibles sont assurées tant que la quantité d’humidité ajoutée est connue avec précision.

Pour l’allumage de la décharge, la tension appliquée aux électrodes peut généralement être simplement augmentée jusqu’au point de panne. Cependant, en fonction des conditions de surface des électrodes, une tension élevée est parfois nécessaire. Pour faciliter l’allumage, un pistolet à étincelles haute tension peut être utilisé. Cela peut également être utile lorsque vous essayez d’enflammer une décharge d’argon dans le COST-Jet.

Avant d’appliquer le COST-Jet sur n’importe quelle surface, il convient d’allouer suffisamment de temps à l’appareil pour s’équilibrer. Lorsqu’il est réglé sur les paramètres de contrôle souhaités, le COST-Jet a besoin d’environ 20 minutes pour atteindre des conditions stables¹¹. Pendant ce temps, la température de l’appareil, la température du gaz ainsi que la chimie du plasma atteignent un état stable.

Pour comparer les résultats scientifiques, des paramètres de contrôle du plasma comparables sont nécessaires. Pour mesurer la puissance d’entrée électrique, le moniteur de puissance COST peut être utilisé²⁹. Le logiciel est open-source et compatible avec une gamme de différents types d’oscilloscopes. Le logiciel fonctionne selon le principe décrit par Golda¹⁹.

En plus de l’effet de l’humidité des gaz d’alimentation sur la chimie du plasma, le transport des espèces réactives du plasma vers le substrat joue un rôle important dans la composition des effluents et constitue une autre étape critique du protocole. L’atmosphère environnante peut influencer les espèces créées dans le plasma sur leur chemin vers le substrat. Pour minimiser cette influence, deux concepts différents sont utilisés: (i) Tout d’abord, une atmosphère contrôlée peut être mise en place qui se compose du gaz d’alimentation. Ainsi, la composition de l’atmosphère environnante peut être maintenue constante. En fonction du niveau de pureté requis pour le traitement, l’atmosphère contrôlée peut être réalisée via des boîtiers de protection équipés d’une vanne unidirectionnelle pour éviter la surpression. Pour des niveaux de pureté plus élevés, une chambre à vide avec une pompe peut être utilisée. ii) Deuxièmement, une atmosphère contrôlée peut être créée en utilisant un rideau de gaz de protection autour de l’effluent plasma^36,37. Habituellement, il se compose d’un gaz inerte, mais il peut également être modifié en fonction des besoins de l’application.

Heureusement, pour le COST-Jet, l’influence de l’atmosphère environnante est comparativement faible. En utilisant le marquage isotopique, Gorbanev a montré que pour un jet de plasma de configuration en champ parallèle, les espèces réactives d’oxygène et d’azote atteignant une surface liquide se sont formées dans la phase gazeuse du plasma ainsi que dans la région entre la buse de plasma et l’échantillon^38,39. En revanche, en utilisant la même technique pour le COST-Jet, ils ont découvert que rons provenait presque exclusivement de la phase plasma au lieu de l’environnement environnant²⁸. Cela est probablement dû au fait que le champ électrique est confiné au canal plasma de la décharge COST-Jet. Cela rend la décharge plasma largement indépendante de son environnement et lui donne un certain caractère distant.

Pour un jet de plasma de champ électrique longitudinal, Darny et al.⁴⁰ ont montré que la polarité du champ électrique modifie le schéma d’écoulement du gaz et donc aussi sur les espèces réactives qui atteignent une cible en raison du vent ionique. La dépendance de la densité des espèces réactives à l’environnement a été confirmée par des mesures de Stancampiano et al.^7. Ils ont rapporté la différence du nombre d’espèces réactives créées dans l’eau traitée en fonction des caractéristiques électriques. Pour compenser ces différences, ils ont dû créer un circuit électrique compensateur. Ce comportement est différent pour le COST-Jet : la figure 5 compare les images de Schlieren du COST-Jet sans tension appliquée et pendant le fonctionnement pour deux débits de gaz différents. Les images ont été prises en utilisant un seul miroir aligné en ligne comme décrit par Kelly⁴¹. Ils montrent comment l’effluent COST-Jet aligné horizontalement frappe un substrat de verre plat. Les deux images montrent exactement le même schéma d’écoulement de gaz. Cela résulte de l’absence de vent ionique en raison de l’absence d’espèces chargées dans l’effluent plasmatique.

De plus, le COST-Jet présente un schéma d’écoulement très laminaire. Kelly⁴¹ a montré des images de Schlieren similaires à celles présentées à la figure 5,pour différents débits de gaz. Même à des débits de gaz comparativement élevés de 2 slpm, l’effluent plasmatique ne montre aucun signe de turbulence. À des débits de gaz très faibles de 0,25 slpm et moins, la flottabilité de l’effluent d’hélium commence à jouer un rôle. Cependant, jusqu’à une distance de 4 à 5 mm de la buse, l’atmosphère ambiante n’influence pas la composition du gaz atteignant la surface comme l’a démontré Ellerweg en utilisant la spectrométrie de masse¹⁷.

Toutes les caractéristiques mentionnées ci-dessus ajoutent au caractère distant du COST-Jet. Cela en fait un candidat idéal pour le traitement contrôlé et comparable des surfaces.

Figure 5 : Images de Schlieren du COST-Jet avec et sans tension appliquée pour deux débits de gaz différents. Pendant le fonctionnement du plasma, le modèle d’écoulement de gaz ressemble exactement au modèle avec seulement le flux de gaz. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

En fonction de l’effet souhaité sur l’échantillon traité, les paramètres de contrôle du mélange de flux de gaz, de la puissance électrique appliquée et de la distance entre la source de plasma et la surface peuvent être ajustés en conséquence. Pour le COST-Jet, il existe une vaste base de données documentaires d’études portant sur les espèces réactives dans l’effluent. À titre d’exemple, Willems³⁰ a mesuré la densité atomique de l’oxygène en utilisant la spectrométrie de masse tandis que Schneider⁴² a mesuré les densités d’azote atomique dans l’effluent.

Le traitement des liquides avec du plasma à pression atmosphérique peut provoquer une variété de mécanismes de réaction possibles entraînés par des espèces réactives, des ions, des photons ou des champs électriques. En raison des caractéristiques décrites précédemment du COST-Jet, l’effet du champ électrique, des ions et des photons est négligeable par rapport aux sources de plasma où le plasma est en contact direct avec des liquides. Par conséquent, pour étudier l’effet d’espèces réactives à courte durée de vie comme l’oxygène atomique sur une solution de phénol, le jet COST a été utilisé par Hefny⁴³ et Benedikt^44. En outre, le COST-Jet offre une possibilité pratique de comparer des expériences et des simulations numériques de traitement liquide²⁸. Comme l’interaction entre le plasma et le liquide est dominée par le flux gazeux des espèces réactives du plasma à la surface du liquide, la complexité du modèle peut être réduite.

L’agitation induite par le flux de gaz du liquide augmente la vitesse de réaction entre les espèces réactives générées par plasma et le liquide. Contrairement aux traitements de surface des solides, la convection du liquide modifie constamment la concentration locale des réactifs. De plus, les vitesses de réaction entre les espèces générées par le plasma et les réactifs dans le liquide sont également affectées par l’activité de surface de ces réactifs. Avec l’augmentation de l’activité de surface, la concentration du réactif à la surface du liquide augmente. Ces tensioactifs pourraient jouer un rôle important dans la réactivité des espèces à courte durée de vie générées par le plasma.

En plus de remuer, le flux de gaz qui empiète sur la surface du liquide induit également une évaporation qui doit être prise en compte. En utilisant le COST-Jet avec des temps de traitement courts, l’évaporation peut jouer un rôle mineur, bien qu’elle doive encore être prise en compte pour calculer les taux de réaction corrects. La décharge du COST-Jet n’est pas affectée par l’évaporation et, par conséquent, la chimie du plasma n’est pas non plus affectée. Pour différentes sources de plasma, où par exemple le plasma est en contact direct avec un liquide, la chimie du plasma change considérablement avec l’évaporation, comme l’ont montré Tian et Kushner⁴⁵ pour une décharge de barrière diélectrique. De plus, pour le kINPen, un effet des évaporations a été déterminé⁴⁶.

Outre ces différences mentionnées dans la chimie du plasma qui doivent être prises en compte pour différentes sources de plasma, la topologie du ménisque induite par le flux de gaz sur les changements de surface liquide. La profondeur de ce ménisque dépend généralement de la vitesse du gaz. Pour les sources de plasma où la configuration de l’électrode induit un champ électrique important atteignant le liquide ou même avec un plasma en contact avec le liquide, ce ménisque peut être élevé^47,48. Comme indiqué, plusieurs effets doivent être pris en compte en fonction de la source de plasma utilisée.

À l’avenir, ce protocole pourra être utilisé pour effectuer et décrire des traitements de surface et liquides à l’aide du COST-Jet. Il s’agit d’une source de plasma stable et reproductible présentant un caractère distant unique parmi la pléthore de conceptions de jets de plasma différentes. Les mêmes méthodes ne se limitent pas à la seule source COST-Jet et peuvent être modifiées et adaptées pour être utilisées avec n’importe quelle source de plasma à pression atmosphérique froide.