Généralités sur le plasma

Généralités sur le plasma

Les plasmas, à l’exception de rares exemples, ne sont jamais à l’équilibre thermodynamique de sorte qu’il est abusif de parler de température. Pourtant cette notion est encore utilisée pour décrire les fonctions de distribution de chaque classe de particules en les considérant comme maxwelliennes donc isotropes. On définit ainsi une température électronique Te, une température des ions Ti et une température du gaz (des neutres stables) T La température associée à chaque espèce est définie à partir de l’énergie cinétique moyenne des particules de cette espèce. Par exemple, pour les électrons on définit une température Te à partir de la relation: Nous verrons par la suite que la connaissance de cette fonction est primordiale pour tout « physicien des plasmas » car elle définit la cinétique des électrons et permet en outre de calculer toutes les constantes de vitesse des processus primaires de collisions électron­ molécule. En fait, l’approximation d’une fonction de distribution maxwellienne pour les électrons s’avère parfois très simplificatrice dans certains plasmas à basse pression, notamment dans le cas des plasmas utilisés en pulvérisation cathodique où des électrons secondaires sont émis par la cathode et accélérés dans la gaine. Ainsi on distinguera souvent au moins deux populations d’électrons: les uns rapides minoritaires assurant l’ionisation et la dissociation du gaz, les autres lents majoritaires qui proviennent de l’ionisation des atomes et molécules par les électrons rapides.

Lorsqu’il n’est pas perturbé, le plasma peut être considéré comme équipotentiel [Chapman]. On définit alors le potentiel plasma comme étant la référence de potentiel pour toute les particules chargées qui se trouvent dans le plasma. Ce potentiel est noté V Tout substrat isolé, plongé dans un plasma, ne peut pas écouler de charges; c’est pourquoi les électrons qui ont une vitesse moyenne beaucoup plus grande que les ions arrivent en premier à la surface du substrat et la charge négativement par rapport au plasma. Le potentiel négatif local qui en résulte perturbe les charges voisines, repoussant les électrons et attirant les ions positifs. Le flux d’électrons arrivant sur le substrat décroît donc jusqu’à compenser exactement le flux d’ions. Le substrat se fixe alors au potentiel flottant Vr négatif qui dépend de la géométrie de la surface considérée (plane, cylindrique, … ). La chute de potentiel entre le plasma et la surface (Vs) se traduit par l’apparition d’une zone appauvrie en électrons, appelée gaine ionique. L’épaisseur de celle-ci est de l’ordre de grandeur de quelques , c’est-à-dire typiquement pour des pressions ::; 3 Pa, l’expression de l’épaisseur d’une gaine de charge d’espace est donnée par..

Si l’on place une charge q au sein du plasma, celle-ci s’entoure de charges de signe opposé qui tendent à neutraliser son champ coulombien. Au voisinage de cette charge, la décroissance du potentiel est de la forme: de sonde de Langmuir. Parmi les nombreux articles disponibles, nous avons sélectionné ceux dont les conditions expérimentales s’approchent le plus de nos conditions expérimentales. Pour amorcer et maintenir un plasma, il faut apporter de l’énergie, qui peut être thermique, électromagnétique ou photonique. Dans le cas de nos expériences, les électrons sont soumis à un champ électrique alternatif, ce qui leur permet de gagner de l’énergie cinétique et d’induire des collisions élastiques et/ou inélastiques avec des atomes et/ou des molécules du gaz. Lors de ces collisions, une partie de l’énergie cinétique est transformée en énergie potentielle d’excitation ou d’ionisation des atomes ou des molécules. Cette dernière voie engendre la création d’une paire électron/ion. L’équilibre global du plasma en état stationnaire est alors assuré quand le taux de création en volume de particules chargées est égal à celui de leur pertes (recombinaison, attachement, parois, … ).