Les systèmes Duo-Plasmaline au service de vos applications d’énergie durable
Tout le monde veut vivre sur une planète plus saine ; les chercheurs de toutes les industries travaillent pour inventer un avenir plus durable. Pourtant, dans de nombreux cas, l’efficacité, la qualité et la mise à l’échelle des technologies vertes, telles que pour les batteries de voiture à zéro émission ou les panneaux photovoltaïques flexibles, peuvent encore être améliorées.
Les sources plasma micro-ondes Duo-Plasmaline et Plasma Array de Muegge permettent aux innovateurs de passer à la vitesse supérieure en matière de processus et de modifications de surface dans le domaine de la production et du stockage de l’énergie durable. Si vous voulez comprendre en profondeur les Pourquois et les Comments de cette technologie, cette revue d’experts vous explique comment les sources plasma micro-ondes Duo-Plasmaline et Plasma Array permettent la production des plasmas avec des densités élevées et très bonne homogénéité sur une grande surface ainsi que les stratégies de mise à l’échelle.
1. Génération d'un plasma homogène : Là où les autres systèmes échouent
L ‘excitation du plasma par micro-ondes à basse pression repose sur l’accélération des électrons libres dans le champ électrique des micro-ondes ; idéalement les électrons entrent en collision les uns avec les autres et avec des autres espèces neutres ou ionisées, déclenchent un effet d’avalanche qui forme le plasma. La pression du gaz plasmagène est un paramètre important de ce processus : à basse pression, le libre parcours moyen des électrons libres accélérés est nettement plus court que les dimensions de la chambre à vide et un plasma non-équilibre se forme, caractérisé par des neutres et des ions à température ambiante et par des électrons libres accélérés “chauds”. Lorsque la pression dans la chambre à vide est encore réduite de manière que le parcours moyen des électrons libres soit dans la gamme des dimensions de la chambre à vide, la probabilité de collisions des électrons libres avec les parois de la chambre augmente significativement, inhibant ainsi l’effet d’avalanche, un élément essentiel pour former et maintenir un plasma.
"Réduire ou augmenter la pression du gaz dans le mauvais sens peut empêcher la formation ou le maintien d'un plasma."
L’augmentation de la pression permet le transfert d’énergie vers les particules lourdes comme les neutres et les ions, entraînant une thermalisation progressive du plasma. En conséquence, la température du gaz plasmagène augmente. De plus, en maintenant l’énergie micro-onde constante par l’augmentation de la densité de particules, l’énergie d’excitation ne sera plus suffisante pour maintenir le volume du plasma, ce qui entraîne la formation de filaments de plasma et son extinction.
Finalement, l’augmentation de la densité électronique à pression constante inhibe la propagation des micro-ondes. A la densité dite critique, les micro-ondes ne peuvent plus pénétrer dans le plasma et sont réfléchies – le plasma se comporte comme une paroi conductrice.
N.B. La densité critique est proportionnelle au carré de la fréquence de l’onde électromagnétique.
2. Pour une productivité accrue et la mise à l'échelle - Duo-Plasmaline est la solution
Sur la base des principes expliques ci-dessus, de nombreuses sources de plasma micro-ondes ont été conçues afin d’utiliser la densité élevée des radicaux spécifique aux plasmas micro-ondes. Cependant, différents facteurs i.e., la formation de modes de propagation spécifiques, d’ondes stationnaires, la longueur d’onde sous vide qui peut avoir les mêmes dimensions géométriques que le matériau à traiter, peuvent conduire à un traitement plasma non homogène du substrat. La mise à l’échelle des sources de plasma micro-ondes pour les grands substrats est un défi important. Les sources de plasma micro-ondes de Muegge, Duo-Plasmaline et la matrice de sources plasmas – Plasma Array (basé sur la source Duo-Plasmaline) répondent parfaitement à ces défis.
3. Augmenter la qualité de vos produits - Duo-Plasmaline pour un plasma homogène
Le Duo-Plasmaline est une source de plasma micro-ondes à basse pression. Le plasma est formé seulement par excitation micro-ondes, c’est-à-dire sans l’application d’un champ magnétique supplémentaire. Pour simplifier, la source plasma Duo-Plasmaline est un tube fluorescent inversé excité par les micro-ondes : une ligne coaxiale est montée à travers une enceinte à vide (la chambre de traitement) conçue dans un matériau électriquement conducteur et alimentée par des micro-ondes des deux côtés. À l’intérieur de l’enceinte à vide, le conducteur coaxial extérieur est remplacé par un tube diélectrique e.g., verre, quartz ou céramique. L’intérieur du tube diélectrique est maintenu à la pression atmosphérique, tandis que l’extérieur (l’enceinte à vide) est à basse pression, de préférence comprise entre 10 Pa et 1000 Pa. Les micro-ondes peuvent traverser le tube diélectrique pour se propager dans l’enceinte à vide. Lorsque l’intensité du champ électrique des micro-ondes dépasse l’intensité du champ de claquage du gaz plasmagène, une décharge s’allume dans le régime de basse pression aux deux extrémités de la source Duo-Plasmaline, là où le conducteur coaxial extérieur est remplacé par le tube diélectrique. Les ‘tubes’ courts de plasma formés aux deux extrémités de la Duo-Plasmaline sont des milieux électriquement conducteurs et remplacent ainsi le conducteur coaxial extérieur. Avec l’augmentation de la puissance micro-ondes, le plasma s’étend des deux extrémités le long du tube diélectrique, jusqu’à ce qu’un plasma axialement homogène soit formé (voir figure 1).
Figure 1 : Plasma axialement homogène formé autour de la source de plasma micro-ondes basse pression Duo-Plasmaline [1]
La formation d’un plasma basse pression axialement homogène autour d’une Duo-Plasmaline de longueurs de plus de 3 m a été démontrée pour des applications utilisant seulement quelques kW de puissance micro-ondes à la fréquence de 2,45 GHz.
4. La combinaison des puissances - Duo Plasmaline et Plasma Array pour un traitement de surface très efficace
Une matrice de plasma – Plasma Array – est obtenue en disposant à équidistance deux ou plusieurs Duo-Plasmalines parallèles. Alors qu’une Duo-Plasmaline fournit un plasma axialement homogène, la source Plasma Array génère un plasma large et homogène (voir figure 2). Par conséquent, une Duo-Plasmaline est de préférence utilisée pour le traitement de surface dans des procédés continus en ligne, tandis qu’une Plasma Array convient aux procédés continus et discontinus. La Duo-Plasmaline et la Plasma Array permettent tous deux un traitement de surface très efficace, même pour les matériaux thermosensibles, en raison de la forte densité de radicaux à faible énergie caractéristique au plasma micro-ondes non-équilibre à basse pression.
Figure 2 : Plasma homogène bidimensionnel formé par une source Plasma Array à basse pression [2]
5. Personnalisez les dimensions de votre surface - Mise à l'échelle de la zone plasma en largeur et en longueur
Grâce à sa conception modulaire, la source Plasma Array s’adapte facilement aux dimensions du substrat par simple configuration du nombre et de la longueur des Duo-Plasmalines. Ainsi, la surface active du plasma peut être ajustée en largeur et en longueur.
Figure 3 : Schéma d’une source Plasma Array composée de quatre Duo-Plasmalines pour le traitement par plasma d’un substrat (la surface verte) à basse pression
La figure 3 présente un schéma d’une source Plasma Array composée de quatre Duo-Plasmalines dans une chambre de traitement de surface par plasma à basse pression. Les quatre Duo-Plasmalines sont alimentées en énergie micro-ondes par la gauche et par la droite, par deux magnétrons de chaque côté. Chaque magnétron envoie les micro-ondes à deux Duo-Plasmalines via un diviseur de puissance. La répartition de la puissance de manière égale sur deux ou plusieurs Duo-Plasmalines garantit la meilleure homogénéité de traitement sur le substrat.
La Figure 4 montre une source Plasma Array composée de six Duo-Plasmalines d’une longueur de 160 cm chacune, formant ainsi une zone de plasma actif d’environ 150 cm x 200 cm avec des applications, par exemple, dans le revêtement antireflet en nitrure de silicium de cellules solaires.
Figure 4 : Plasma Array composée de six Duo-Plasmalines intégrées dans une chambre de traitement pour, par exemple, le dépôt par plasma à basse pression de couches minces utilisés dans la production de cellules solaires (offert par Meyer Burger Allemagne)
6. Des possibilités ouvertes pour des applications innovantes - Duo-Plasmalines et Plasma Array
Outre que le dépôt de couches minces, les Duo-Plasmalines et les Plasma Arrays sont également utilisées pour le traitement de surface assisté par plasma, par exemple, l’activation de surface, la gravure, le nettoyage et même la stérilisation. Aujourd’hui et pour l’avenir, cette technologie passionnante offre un large éventail de procédés révolutionnaires pour la production et le stockage d’énergie durable. Parmi les applications le plus passionnantes de plasma micro-ondes non-équilibre à basse pression, on cite le dépôt de nanofils de silicium pour les nouvelles batteries lithium-ion et les modifications de surface dans la technologie des piles à combustible.
Nous vous invitons à découvrir des cas pratiques et des exemples de Duo-Plasmaline et de Plasma Arrary sur notre page d’accueil. Contactez-nous pour découvrir comment vous pouvez les utiliser pour renforcer vos innovations et vos développements de produits.
Bibliographie:
[1] A. Schulz, P. Büchele, E. Ramisch, O. Janzen, F. Jimenez, C. Kamm, J. Kopecki, M. Leins, S. Merli, H. Petto, F. R. Mendez, J. Schneider, U. Schumacher, M. Walker, U. Stroth, Contrib. Plasma Phys., 2012, 52, 607-614.
[2] M. Walker, A. Schulz: Duo-Plasmaline. [online] Homepage: University of Stuttgart, Institute of Interfacial Process Engineering and Plasma Technology (IGVP)
URL: https://www.igvp.uni-stuttgart.de/en/research/plasma-technology/sources/plasmaline/ [status: June 16, 2021].
