Laboratoire de physique des gaz et des plasmas

New technologies of compact accelerators, in particular plasma accelerators, and laser-based x-ray sources, are on the verge of reaching maturity in this decade, making today the perfect time to steer them towards a broader scope of applications in academia, medicine and the industry. Training the next generation of entrepreneur-minded early-stage researchers on such a disruptive technology will enable them to start successful careers with significant societal impact. This is the goal we pursue with the Marie Skłodowska Curie Action Doctoral Network EPACE (European compact accelerators, their applications, and entrepreneurship). EPACE fosters a culture of excellence, innovation and critical thinking to help the next generation explore opportunities and guide it towards significant contributions in line with the EU missions. Emphasis is put on applications in industry (muon tomography), medicine (FLASH effect with particle beams from plasma accelerators), and impactful progress (reduced energy consumption of particle accelerators). An extensive curriculum from a world-class European business school will help the students identify and transfer the most promising innovations into commercial products. Coordinated by DESY, EPACE gathers 31 industrial and academic partners in Europe, to provide 15 PhD students with great scientific expertise, a thorough awareness of EU values and a drive towards entrepreneurship.

Le projet MINITL a pour objectif de proposer un procédé de traitement de surface permettant de texturer la surface d’un acier par un procédé innovant basé sur l’utilisation de microplasmas pour réaliser des traitements de nitruration localisés. Il s’agira de démontrer la faisabilité d’un traitement de nitruration localisé sur des surfaces métalliques via l’utilisation de microplasmas en régime DC et impulsionnel dans des mélanges N2-H2 et d’optimiser le procédé du point de vue de la durée de vie des dispositifs générant les microplasmas et des propriétés des surfaces texturées obtenues. Le projet MINITL réunit l’Institut Jean Lamour, le Groupement de Recherche sur l’Energétique des Milieux Ionisés, le Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas et le Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, dont les compétences complémentaires permettront d’associer à la fois des aspects expérimentaux autour de la fabrication des micro-décharges, de leur caractérisation via des techniques des diagnostic plasma avancées, des traitements de surface par plasma et de la caractérisation des surfaces, et des aspects théoriques autour de la modélisation de ce type de décharge. Le projet, prévu sur une durée de 48 mois et organisé en 7 tâches, vise un budget d’environ 706 k€.

Les infections urinaires peuvent se développer lorsqu'une sonde est posée sur des patients alités, et elles correspondent au type d'infection le plus fréquent (30 %) parmi les infections nosocomiales. Différentes équipes de recherche travaillent pour contrer ce problème, mais aucune solution idéale n'a été trouvée jusqu'à présent. Face à ce besoin urgent, nous développons des méthodes de chimie plus verte pour la fonctionnalisation des surfaces polymères. L'association d'une activation par plasma froid atmosphérique avec le greffage chimique de molécules bio-sourcées, ayant des propriétés antibiofilm, est l'essence même de notre projet. Trois équipes sont impliquées: 1) SM2ViE de l'ICMMO développe des surfaces fonctionnalisées et aura en charge le greffage de composés bio-sourcés antibactériens, sur une surface de PDMS, utilisant une activation par plasma froid comme technologie éco-responsable de greffage. 2) DIREBIO du LPGP, qui développe des jets de plasma pulsés, a déjà montré qu'un plasma froid peut être généré dans de longs capillaires remplis de gaz à pression atmosphérique ; elle s'occupera du développement technologique d'un plasma capable d'activer la surface interne d’un cathéter de PDMS de 40 cm de long. 3) MBCM de l'I2BC, réalisera les tests microbiologiques sur les surfaces modifiées afin d'évaluer leurs propriétés antibiofilm. Au-delà de l'application, des travaux fondamentaux seront réalisés: nous nous concentrerons à la fois sur la création du plasma dans différentes atmosphères (gaz rares + H2O, O2), visant la production efficace de radicaux tout au long du capillaire (spectroscopies d’émission et d'absorption), et sur l'interaction du plasma avec la surface interne du tube (imagerie rapide intensifiée). Nous chercherons aussi à avoir une meilleure idée du mécanisme de greffage des molécules bio-sourcées et une partie du projet sera consacrée à la détection des espèces organiques créées par l'action du plasma sur la surface du tube (SM CI-FTICR).

Le projet OPTILAM a pour objectif développer des outils de diagnostics locaux à l’échelle du bain de fusion pour la détermination des microstructures de pièces fabriquées par le procédé L-PBF (laser powder bed fusion). Le projet vise ainsi à : (1) Evaluer in situ, à partir d’un banc instrumenté existant, l’absorption de l’énergie laser en phase solide du lit de poudre (avec une densité contrôlée) et en phase liquide (bain fondu) du procédé L-PBF à partir de 3 sources laser : source de référence IR, laser vert et laser bleu, ces 2 dernières sources permettant de modifier les niveaux d’absorption ; (2) Analyser in situ la vapeur éjectée (en plus de capteurs coaxiaux IR et visible déjà existants sur le dispositif) à partir des moyens de diagnostics (optique, spectroscopique, laser) croisés qui seront installés sur le banc. Ces analyses permettront d’estimer le niveau d’interaction laser-matière précis et serviront de base pour tester l’influence de l’énergie déposée sur le taux de vaporisation, les tailles de la zone fondue et les caractéristiques des phases présentes ; (3) Caractériser les matériaux/structures fabriqués à partir des différentes sources en termes de microstructures et de propriétés mécaniques à différentes échelles, à l’aide en particulier de mesures par nano-indentation à l’échelle locale et par tomographie et de mesures de propriétés physiques telles que la conduction électrique ; (4) Corréler les mesures in situ, les propriétés multi-échelle pour démontrer l’aptitude des données issues du banc instrumenté à décrire fidèlement la physique du procédé L-PBF et à contribuer à la prédiction d’une microstructure. (5) Valider les résultats obtenus à partir des bancs instrumentés sur une machine industrielle afin de démontrer la possibilité d’adapter et d’utiliser des outils de diagnostics locaux sur bancs instrumentés, à l’échelle du bain de fusion, pour la détermination d’une microstructure.

EuPRAXIA is a distributed, compact and innovative accelerator facility based on plasma technology. It has been selected for the 2021 Update of the ESFRI Roadmap. In its first phase, its consortium of 51 institutes and industry partners will construct an electron-beam-driven plasma accelerator in the metropolitan area of Rome, thus bringing innovation, potential for spin-off companies, state-of-the art scientific applications and a vibrant international user community to the middle of Italy. In its second phase, EuPRAXIA will build one laser-driven plasma accelerator at a site to be chosen between several options in Europe. EuPRAXIA will serve users in ultra-fast science, e.g. on high-resolution medical imaging, deeply penetrating positron annihilation spectroscopy for materials and with Europe’s most southern free-electron laser (FEL). It will offer fascinating capabilities for research on biomolecules, viruses and microscopic processes. EuPRAXIA will thus be a transformative step in the development of ultra-compact accelerators and applications. The Preparatory Phase project EuPRAXIA-PP will prepare its full implementation.

Le projet SOLARIA pour « SOurces LAser & Rayonnement pour la fabrication Industrielle Additive » s’articule sur deux volets relatifs aux deux principales sources d’énergie couramment utilisées pour la fabrication additive : (i) le laser continu (CW) à fibre incluant la chaine optique afférente pour focaliser l’énergie et permettre la fabrication additive métal sur lit de poudre (L-PBF : Laser – Powder Bed Fusion) et (ii) le faisceau d’électrons de fort courant pour l’impression 3D par dépôt de matière sous énergie concentrée (DED : Directed Energy Deposition). Le cœur de ce projet est la maîtrise du dépôt d’énergie localisé sur le métal, qui doit permettre, à l’aide d’une commande active et des diagnostics adéquats, de contrôler en temps réel l’état de la matière pendant la fabrication des pièces. L’objectif final de SOLARIA est l’amélioration de la productivité industrielle en impression 3D métal en ajustant judicieusement les sources d’énergie.

Le projet PlasBoNG vise à développer un nouveau réacteur micro-plasma à haute efficacité énergétique fonctionnant à haute pression (100s mbar) et à basse température (<800°C) pour la synthèse sur grandes surfaces (10s cm2) de films et d'hétérostructures de nitrure de bore hexagonal (h-BN) et de graphène (Gr), et à comprendre les mécanismes impliqués dans ce processus de dépôt par plasmas réactifs. Le Gr, en raison de ses propriétés supérieures et novatrices, est un matériau de choix pour une large gamme d'applications technologiques prometteuses en nano et optoélectronique, en énergie, et en médecine, entre autres. N'ayant qu'une seule couche d’atomes, le Gr est vulnérable aux perturbations du substrat sur lequel il est déposé, qui peuvent altérer ou détruire de manière significative ses propriétés exceptionnelles. Pour contrer l'influence du substrat, il est possible de suspendre le Gr ou de l'encapsuler dans un matériau afin de préserver ses propriétés. Les couches de h-BN maintenant les propriétés électroniques exceptionnelles du Gr, l’encapsulation dans du h-BN peut potentiellement conduire à des technologies disruptives et devenir une plate-forme tant attendue pour la nanophotonique et la spintronique 2D et le traitement quantique de l'information. En dépit du potentiel de ce matériau stratégique pour des futures applications à fort potentiel, les communautés scientifiques et industrielles n’ont pas encore de méthode de croissance efficace permettant le dépôt sur de grandes surfaces d'hétérostructures h-BN/Gr/h-BN de haute qualité. En particulier, un des problèmes critiques réside dans la capacité à dissocier suffisamment et efficacement un précurseur contenant du carbone ou de l'azote, afin qu'il puisse réagir et contribuer à la croissance de films de Gr et de h-BN, respectivement. Cela implique généralement l'utilisation de températures de croissance très élevées, entraînant une moindre efficacité énergétique et des coûts environnementaux et financiers plus élevés. Cependant, l'activation de la phase gazeuse avec une source plasma est un moyen d'améliorer la dissociation chimique des précurseurs tout en abaissant le budget thermique, car les électrons énergétiques générés par le plasma boostent la dissociation à température relativement basse. Dans ce projet, nous proposons un nouveau procédé de dépôt utilisant de nouvelles matrices de micro-décharges à cathode creuse (MHCD), fonctionnant séquentiellement dans des mélanges gazeux de N2-Ar et CH4-Ar, pour la synthèse de h-BN (en utilisant également des précurseurs de bore) et de Gr, respectivement. Les micro-plasmas n'étant pas à l’équilibre thermodynamique, il est possible de réduire considérablement la température de dépôt, et leur haute densité d'électrons (1016 cm-3) peut conduire à un haut degré de dissociation des précurseurs. PlasBoNG a trois principaux objectifs et défis scientifiques: 1) Concevoir et fabriquer par micro-usinage un nouveau réacteur de dépôt sur grandes surfaces de type MHCD, facilement adaptable aux technologies existantes; 2) Étudier les propriétés physico-chimiques du réacteur micro-plasma fonctionnant dans des gaz réactifs (N2,CH4), en fonction des paramètres du procédé, à travers des approches expérimentales et de modélisation complémentaires, visant à produire des densités très élevées d’azote atomique et de radicaux de carbone C2, éléments clés pour le dépôt et la croissance de films de h-BN et de Gr, respectivement; 3) Déposer sur de grandes surfaces (10s cm2) des films de haute qualité de h-BN et de Gr, séparément et dans des hétérostructures h-BN/Gr/h-BN, et élucider les mécanismes de dépôt à l’aide de plasmas réactifs. En développant un procédé innovant à haute efficacité énergétique de dépôt de films de h-BN et de Gr, il est fort à parier que ce projet multidisciplinaire aura un impact scientifique élevé, qui devrait créer des opportunités économiques et sociales, grâce au fort potentiel du h-BN et du Gr dans les technologies du futur.

La théorie de l'électrodynamique quantique (QED) prédit que l'indice de réfraction du vide est modifié lorsque le vide est soumis à des champs électromagnétiques intenses. Le vide serait un milieu optique non linéaire, comme tout autre milieu standard. Cet effet n'a jamais été observé expérimentalement. Le test le plus sensible aujourd'hui est la recherche de la biréfringence du vide. La meilleure sensibilité, obtenue après environ 100 jours de données, est un ordre de grandeur supérieure à la prédiction QED. L'objectif du projet DeLLight (Deflection of Light by Light) est d'observer, non pas une biréfringence, mais un changement global de l'indice de réfraction du vide en utilisant des impulsions laser ultra-courtes et ultra-intenses, délivrées par l’installation LASERIX au Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire (LAL). L'idée originale est de mesurer la réfraction (effet cohérent à l'échelle macroscopique) d'une impulsion laser sonde traversant un gradient transverse de l’indice du vide. Ce dernier est produit par l'interaction de deux impulsions intenses contre-propageantes, utilisées comme impulsions pompes. La réfraction de l'impulsion sonde est détectée grâce à un interféromètre de Sagnac, en mesurant en sortie sombre de l'interféromètre le décalage transverse du profil d'intensité grâce à une caméra CCD. Pour atteindre une sensibilité élevée, il faut une forte focalisation des faisceaux pompes, une forte extinction d’intensité dans la sortie sombre de l'interféromètre, et une grande résolution spatiale pour la mesure de position du profil d'intensité sur le CCD. Avec des spécifications exigeantes mais réalistes, à savoir un facteur d'extinction F=10^(-5) (valeur obtenue avec le prototype actuel) une résolution spatiale de 10nm (30 nm mesuré avec le prototype actuel) et une taille de faisceaux à la focalisation w0=5micron, les simulations numériques montrent que le signal QED attendu peut être observé à 3 sigma de niveau de confiance après 3 jours de données. Inversement, en supposant les spécifications déjà atteintes avec notre premier prototype et une valeur très conservatrice de taille de faisceaux au foyer (w0=20micron), la sensibilité attendue est identique à la meilleure sensibilité actuelle des expériences de biréfringence. Nous soulignons que la recherche d'un changement global de l'indice de vide n'a été réalisé qu'une seule fois par R.V. Jones en 1960, avec une sensibilité d’environ 10 ordres de grandeur moins bonne que la prédiction théorique. Le projet DeLLight offre donc une amélioration notable de la sensibilité de mesure avec un réel potentiel de découverte, et des résultats qui pourront être publiés dans des revues scientifiques à fort impact. Nous proposons un programme de 3 ans. La première étape du programme consiste à compléter le prototype DeLLight (en cours de développement) selon les spécifications du projet. L’objectif de ce prototype (démonstrateur) est de valider la méthode expérimentale et la sensibilité de l’expérience DeLLight en mesurant le gradient d'indice produit dans un gaz à basse pression (effet Kerr non-linéaire) avec des impulsions femtosecondes mJ sous le seuil plasma. Le contrôle automatique de l'alignement optique sera développé et validé avec ce prototype. La deuxième étape consiste à focaliser deux impulsions intenses contre-propageantes (1,25 J par impulsion, 30 fs) avec un recouvrement stable au foyer, puis d’installer l'interféromètre Sagnac de plus grande dimension dans la zone d'interaction. Une fois ces deux étapes de travail terminées, les mesures DeLLight de variation d’indice du vide débuteront. Deux phases de prise de données sont prévues selon des spécifications expérimentales différentes (taille de focalisation et niveau de vide). Les moyens demandés sont pour deux tiers de l'équipement, et pour un tiers le financement d'une thèse.

L'équipe du GPPMM d’XLIM en collaboration avec le laboratoire LPGP d’Orsay, a réussi une première mondiale en démontrant la génération et le confinement d’un plasma microonde dans le cœur d’une fibre optique à cœur creux. Ce résultat majeur a pu être obtenu grâce au soutien de la DGA dans le cadre du programme ANR Astrid UVfactor édition 2011. Durant ce projet, un nombre important de jalons a pu être atteint comme en témoigne le taux élevé de publications (5 articles, 15 conférences internationales dont 3 invitées, un brevet et le Rank Prize Funds 2014) parmi lesquels on peut citer la fabrication d’une nouvelle génération de fibres creuses qui représente aujourd’hui l’état de l’art mondial; la création et le maintien sans dégradation d’un micro-plasma dans ces fibres; sans oublier la démonstration du potentiel de la technologie des lignes microstrips pour répondre à l’aspect miniaturisation et basse consommation. L’ensemble de ces avancées démontre à la fois le fort potentiel émergent de cette technologie innovante qui est à la frontière de la photonique et des plasmas, mais aussi sa capacité à s’industrialiser dans un temps relativement court comme en témoigne son niveau de maturité qui est passé dans l’espace des 3 ans du projet Astrid de la preuve du concept à un niveau de TRL estimé entre 3 et 4. Ces résultats nous permettent aujourd’hui de pouvoir rentrer dans une seconde phase du projet pour aller vers la réalisation de sources laser UV/DUV fibrées compacts et industrialisables. En effet, cette technologie de rupture est porteuse de solutions aux verrous technologiques qui sont derrière le peu d’évolution des lasers UV depuis les années 70. L’objectif de la présente proposition sera donc d’utiliser les avancées technologiques d’Astrid UVfactor, et de passer du succès de la preuve du concept de la génération d’un plasma microonde dans les fibres creuses, au développement d’un composant photonique hautement intégré et fiabilisé combinant une émission laser UV/DUV accordable. Cette source laser est destinée à répondre aux besoins grandissants de la part de la communauté aussi bien militaire avec la détection de polluants et cibles dangereuses, ou les applications de bio-défense par spectro-plasma que civile avec le secteur médical comme en dermatologie pour le traitement du vitiligo et du psoriasis qui touche plus de 3 millions de personnes en France, pour ne citer qu’un exemple. Pour ce faire, le programme technique proposé dans le cadre de l’ANR Maturation visera trois actions majeures qui permettront d’étendre le choix sur le gaz à ioniser afin d’accorder l’émission dans la région spectrale UV/DUV; de miniaturiser le concept pour intégrer le produit dans les systèmes voir en faire un véritable laser portable; et enfin d’augmenter la brillance de la source. En parallèle, un dernier axe portera sur l’étude de marché afin d’affiner notre cahier des charges actuel au contact d’industriels leaders du domaine pour réaliser l’intégration du futur produit dans les systèmes. Dans ce contexte, le consortium se composera des deux académiques qui ont conduit le projet précédent ANR Astrid UVfactor auquel viendra se rajouter une nouvelle force d’appui avec le laboratoire SPCTS pour ses compétences dans la synthèse de céramiques afin d’adresser les aspects liés à la montée en puissance et rayonnement. Enfin, les résultats attendus du projet Plasma-PMC seront très clairement une suite naturelle du portefeuille de brevets détenu par la société GLOphotonics qui comprend plusieurs brevets touchant à presque tous les éléments de la chaine de développement, depuis la fabrication de la fibre creuse microstructurée, à l’assemblage de la fibre remplie de gaz jusqu’aux prototypes lasers. Par conséquent, GLOphotonics a été naturellement identifié comme le partenaire industriel privilégié pour intégrer le présent projet avec pour objectif final la réalisation du premier composant fibré Plasma-PMC et son démonstrateur laser à gaz UV/DUV associé.

Nous proposons l'étude d'un nouveau concept de laser à électrons libres dans le domaine des rayons X. En associant la physique des lasers à électrons libres en régime Compton, des lasers à rayons X mous (XUV) conventionnels basés sur l'interaction laser/plasma, et de l'optique non-linéaire , nous avons prédit la possibilité de déclencher un effet Raman stimulé lors de l'interaction entre un paquet d'électrons libres modérément relativistes, et deux impulsions lasers intenses ultra-rapides, interférant transversalement pour former un réseau optique à haute intensité, par l'effet Kapitza-Dirac. Des études analytiques et numériques ont démontré la possibilité d’atteindre des valeurs de gain très élevées, avec des longueurs de gain dans la gamme sub-millimétrique, et des nombres de photons élevés (~10^8 à 10^9). Ses spécificités, en particulier la robustesse attendue vis-à-vis de la dispersion en énergie des électrons, suggèrent que ce processus est idéalement adapté à un couplage avec l’accélération d’électrons par sillage laser. Ce nouveau schéma est donc très prometteur, car il pourrait fournir des faisceaux de qualité laser dans le domaine X, ce qui n'était concevable jusqu'à présent que grâce à de grandes infrastructures de XFEL, mais avec un dispositif très compact. Des impulsions X d'une durée de l’ordre d’une femtoseconde semblent tout à fait possibles, avec des applications passionnantes en cristallographie de protéines. Nous prédisons également la possibilité de créer des faisceaux cohérents d' X-durs (au delà de 40 keV), voire même des faisceaux laser de rayons gamma, dans le cadre des futures infrastructures de lumière extrême. Des performances aussi marquantes ne pourront cependant être réalisées sans efforts importants. Il est indispensable de définir des étapes préalables, aussi bien pour résoudre des points clés techniques, que pour explorer et apprendre à contrôler la physique à la base de ce processus. La prédiction des caractéristiques finales de la source devra aussi être affinée. Dans cet objectif, nos travaux ont déjà permis un certain nombre d’avancées importantes sur le plan théorique. Nous avons rédigé un nouvel outil numérique dédié, le code particulaire EWOK. Ce code nous a permis de démontrer numériquement l’existence d’une forte amplification des rayons X par des électrons relativistes au sein d’un réseau optique [PRL 109, 244802]. Cet outil numérique sera également à la base des travaux suivants portant sur les caractéristiques essentielles des faisceaux X : divergence, durée d’impulsion, largeur spectrale, nombre de photons… fournissant ainsi une estimation du flux et de la brillance de la source. EWOK permettra enfin tous les travaux de conception puis d’interprétation des expériences. Sur le plan expérimental, des verrous scientifiques et techniques ont été identifiés, visant à contrôler la dynamique des électrons relativistes dans le réseau optique intense. Le premier point clé concerne l’irradiation synchrone transverse formant ce réseau optique, ce qui nécessite de concevoir, mettre en œuvre puis caractériser des dispositifs optiques originaux. Le second point clé concerne l’optimisation spécifique des paquets d’électrons issus de l’accélération par sillage, dans la perspective du processus de laser X Raman. Sur le socle permis par ces développements expérimentaux et les modélisations numériques, nous nous intéresserons alors à deux nouveaux processus prédits dans l’interaction entre un réseau optique intense, et des électrons rapides : l’effet Kapitza-Dirac relativiste, l’émission de rayonnements bêtatron à la fréquence de résonance du réseau optique. Ces étapes permettront de valider la physique et les techniques expérimentales, et ainsi d’avancer vers une future démonstration d’un Laser à Electrons Libres Raman, ce qui ouvrirait un grand nombre d’applications marquantes de cette source X compacte, cohérente et ultra-brève, depuis la physique, la biochimie jusqu’à la médecine.

Le projet EXFIDIS a pour ambition d’explorer une physique encore non décrite à ce jour, celle des décharges électriques hors-équilibre créées par des champs extrêmement transitoires et intenses dans des conditions standard de pression et de température. Pour cela, des équipes de recherche du LAPLACE (Toulouse), du LPGP (Orsay), du GREMI (Orléans) et du CORIA (Rouen), aidées d’une équipe du LNHB (CEA Saclay) comme prestataire de service, proposent de partager leur savoir-faire et leurs connaissances dans le domaine des décharges pulsées hors-équilibre. Les études expérimentales et de modélisation qu’elles proposent se focalisent sur des configurations d’électrodes asymétriques très utilisées pour les applications (pointe/plan, multi-pointes/plan, fil/plan,…), sans système auxiliaire de pré-ionisation, dans l’air et dans des mélanges de gaz atmosphériques azote / oxygène / vapeur d’eau, auxquels viendra s’ajouter en faible concentration de l’acétone, représentatif d’une molécule polluante, ou du propane, représentatif d’un gaz inflammable. Les objectifs du projet sont dans un premier temps de prendre en compte les effets spécifiques induits par les très fortes valeurs de champ électrique à la fois dans un modèle bidimensionnel de décharge et dans des études de caractérisation expérimentale très poussées. L’application de surtensions extrêmes (> 400 %) sur des temps de l’ordre de la nanoseconde doit nous amener à reconsidérer la physique du streamer classiquement utilisée pour décrire les décharges à pression atmosphérique, en analysant les nouveaux mécanismes qui pourraient y être associés (régime diffus, génération d’électrons « runaway » et de rayonnement X, mise en défaut de l’hypothèse d’équilibre de champ local). La commercialisation récente de générateurs fiables, compacts et modulables, permettant d’atteindre des fronts de montée extrêmement brefs de l’ordre de la nanoseconde et des impulsions de tension d’une centaine de kilovolts sur une dizaine de nanosecondes, ouvre des possibilités très intéressantes pour l’étude expérimentale de ces décharges. Les objectifs fondamentaux du projet EXFIDIS nous imposent d’utiliser une configuration d’électrodes élémentaire de type pointe-plan, pour permettre d’obtenir des mesures de grandeurs physiques variés (densités d’électrons, d’atomes, de molécules, d’espèces excitées radiatives et métastables, températures, champ électrique, photons UV et X,…) résolues dans le temps, de quelques nanosecondes à plusieurs dizaines de microsecondes, et dans l’espace, de quelques centimètres. La modélisation de cette décharge est facilitée par l’utilisation d’un code numérique à maillage non structuré, intégrant dans un premier temps une équation d’énergie pour les électrons puis, dans un deuxième temps, une méthode de type « Particle In Cell » (PIC) pour suivre les électrons et les photons de haute énergie (< 50 keV). La modélisation de la post-décharge est également envisagée, s’appuyant sur des études de cinétique réactionnelle dans des décharges pré-ionisées. Elle doit aussi permettre d’appréhender le potentiel de la décharge à champ intense pour des applications environnementales toujours autant d’actualité comme le traitement ou la synthèse de gaz, ou des applications énergétiques comme le déclenchement de combustion ou le contrôle d’écoulement. En réalisant et en étudiant un réacteur de type multi-pointes / plan, le projet EXFIDIS cherchera alors à ouvrir la voie au développement de réacteurs « plasma » innovants et plus efficaces pour la dépollution de l’air. Un aboutissement du projet sera de proposer des solutions de mise en œuvre de réacteurs de grand volume utilisant des décharges à champ transitoire intense contrôlées.

L’exploitation de la lumière naturelle qui nous parvient du Soleil est un des enjeux majeurs de notre époque. D’autre part, une des limitations actuelles de la majorité des moyens de production de l’électricité est son stockage. Le projet SNON s’inscrit dans cette démarche – permettre d’améliorer le stockage de l’énergie tout en améliorant le rendement par une activation photocatalytique. L’objectif du projet SON est de concevoir et optimiser un dispositif de laboratoire qui servira de banc de test pour des nouveaux matériaux de la famille des oxy-nitrures à base de Ta, Ti, Zn qui seront développés et désignés à l’échelle nanométrique. Les recherches menées dans les laboratoires Roumains et Français partenaires dans ce projet convergent vers l’utilisation d’une décharge magnétisée basse pression de type magnétron mais excitée à l’aide d’une alimentation haute puissance pouvant délivrer 50kW pendant l’impulsion (~100 µs). Il devient ainsi possible de stabiliser des matériaux qui ne peuvent pas être obtenus par des procédés magnétron conventionnel. De plus, ce même procédé peut être couplé à la lithographie colloïdale pour générer des couches nano-texturées. Une recherche exploratoire sera menée dans le domaine de la pyrolyse laser afin de synthétiser ce type de matériaux. Le projet SON concerne des travaux expérimentaux de R&D autour d’une famille de matériaux, les oxy-nitrures des métaux de transition qui présentent des propriétés photoelectriques très attrayantes. Plusieurs procédés de synthèse de ces matériaux seront développés et comparés dans ce projet – les magnétrons HIPIMS (LPGP, France), la lithographie colloïdale (UAIC, Roumanie) et la pyrolyse laser (CEA/IRAMIS, France). Notons que le meilleur matériau candidat doit avoir, outre la bonne stoechiométrie lui assurant un gap optique dans le visible, une bonne stabilité chimique, et uns taille nanométrique. Afin de caractériser l’ensemble de ces propriétés, il est nécessaire de déployer une large gamme de moyens de caractérisation de pointe des surfaces et matériaux à l’échelle nanométrique disponible dans les laboratoires partenaires (RBS, NRA, XPS, AFM, etc.) et la photoconduction et les propriétés électroniques (LGEP). Issue de cette synergie entre les participants, le meilleur matériau sera par la suite intégré dans une cellule de test photoélectrolytique. Le projet SNON se propose de valider un concept de matériau allant de sa réalisation et caractérisation à sa mise en forme qui bien que nanométrique doit couvrir des électrodes de grandes tailles, et à sa qualification dans un prototype de laboratoire pour son rendement de conversion d’énergie pour l’électrolyse de l’eau et la production d’hydrogène.