Shocks in unmagnetized plasma with a shear flow: Stability and magnetic field generation

A pair of curved shocks in a collisionless plasma is examined with a two-dimensional particle-in-cell simulation. The shocks are created by the collision of two electron-ion clouds at a speed that exceeds everywhere the threshold speed for shock formation. A variation of the collision speed along the initially planar collision boundary, which is comparable to the ion acoustic speed, yields a curvature of the shock that increases with time. The spatially varying Mach number of the shocks results in a variation of the downstream density in the direction along the shock boundary. This variation is eventually equilibrated by the thermal diffusion of ions. The pair of shocks is stable for tens of inverse ion plasma frequencies. The angle between the mean flow velocity vector of the inflowing upstream plasma and the shock's electrostatic field increases steadily during this time. The disalignment of both vectors gives rise to a rotational electron flow, which yields the growth of magnetic field patches that are coherent over tens of electron skin depths.

Laser-driven three-stage heavy-ion acceleration from relativistic laser-plasma interaction

A three-stage heavy ion acceleration scheme for generation of high-energy quasimonoenergetic heavy ion beams is investigated using two-dimensional particle-in-cell simulation and analytical modeling. The scheme is based on the interaction of an intense linearly polarized laser pulse with a compound two-layer target (a front heavy ion layer + a second light ion layer). We identify that, under appropriate conditions, the heavy ions preaccelerated by a two-stage acceleration process in the front layer can be injected into the light ion shock wave in the second layer for a further third-stage acceleration. These injected heavy ions are not influenced by the screening effect from the light ions, and an isolated high-energy heavy ion beam with relatively low-energy spread is thus formed. Two-dimensional particle-in-cell simulations show that ∼100MeV/u quasimonoenergetic Fe24+ beams can be obtained by linearly polarized laser pulses at intensities of 1.1×1021W/cm². 

Observation of the inhomogeneous spatial distribution of MeV ions accelerated by the hydrodynamic ambipolar expansion of clusters

An inhomogeneous spatial distribution of laser accelerated carbon/oxygen ions produced via the hydrodynamic ambipolar expansion of CO₂ clusters has been measured by using CR-39 detectors. An inhomogeneous etch pits spatial distribution has appeared on the etched CR-39 detector installed on the laser propagation direction, while homogeneous ones are appeared on those installed at 45°and 90°from the laser propagation direction. From the range of ions in CR-39 obtained by using the multi-step etching technique, the averaged energies of carbon/oxygen ions for all directions are determined as 0.78 ± 0.09 MeV/n. The number of ions in the laser propagation direction is about 1.5 times larger than those in other directions. The inhomogeneous etch pits spatial distribution in the laser propagation direction could originate from an ion beam collimation and modulation by the effect of electromagnetic structures created in the laser plasma.

Electron-impact excitation and ionization of W 3+ for the determination of tungsten influx in a fusion plasma

Tungsten will be employed as a plasma facing material in the ITER fusion reactor under construction in Cadarache, France; therefore, there is a significant need for accurate electron-impact excitation and ionization data for the ions of tungsten. We report on the results of extensive calculations of ionization and excitation for W 3+ that are intended to provide the atomic data needed for the determination of impurity influx diagnostics of tungsten in several existing tokamak reactors. The electron-impact excitation rate coefficients for this study were determined using the relativistic R -matrix method. The contribution to direct electron-impact ionization was determined using the distorted-wave approximation, the accuracy of which was verified by an R -matrix with pseudo states calculation. Contributions to total ionization from excitation autoionization were also generated from the relativistic R -matrix method. These results were then employed to calculate values of ionization per emitted photon, or SXB ratios, for four carefully selected spectral lines; these data will allow the determination of impurity influx from tungsten facing surfaces. For the range of densities of importance in the edge region of a tokamak reactor, these SXB ratios are found to be nearly independent of electron density but vary significantly with electron temperature.

Electron-impact excitation of beryllium and its ions

Inelastic electron scattering from light atomic species is of fundamental importance and has significant applications in fusion-plasma modeling. Therefore, it is of interest to apply advanced nonperturbative, close-coupling methods to the determination of electron-impact excitation for these atoms. Here we present the results of R matrix with pseudostate (RMPS) calculations of electron-impact excitation cross sections through the n=4 terms in Be, Be+, Be2+, and Be3+. In order to determine the effects of coupling of the bound states to the target continuum in these species, we compare the RMPS results with those from standard R-matrix calculations. In addition, we have performed time-dependent close-coupling calculations for excitation from the ground and the metastable terms of Be+ and the metastable term of Be3+. In general, these results are found to agree with those from our RMPS calculations. The full set of data resulting from this work is now available on the Oak Ridge National Laboratory Controlled Fusion Atomic Data Center web site, and will be employed for collisional-radiative modeling of Be in magnetically confined plasmas.

Relationship between photoperiod, plasma concentration of ionic calcium and the histology of the prolactin-secreting cells of the rostral pars distalis of the pituitary gland, the corpuscles of stannius and the ultimobranchial gland in the goldfish, Carassius auratus L. /

The relationship between photoperiod, plasma concentration of ionic calcium and the histology of the prolactin-secreting cells of the rostral pars distalis of the pituitary gland, the Corpuscles of Stannius and the Ultimobranchial gland were investigated. Neither the plasma concentration of ionic calcium nor histologically apparent prolactin cell activity could be correlated with photoperiod. Some evidence of a photoperiodic effect on both the Corpuscles of Stannius and the Ultimobranchial gland was obtained. The expected reciprocal relationship between the activity of these glands was not obvious at the histological level . Quantitative and qualitative analysis at the light microscope level revealed, however, that the hormone prolactin-secreting eta cells of the rostral pars distalis and the hypocalcin-secreting cells of the Corpuscles of Stannius may be arranged in a lamellar pattern comprized of synchronous bands of cells in like-phase of a secretory cycle consisting of four stages - synthesis, storage, release and reorganization. Such synchronized cell cycles in these glands have not heretofore been described in literature. It is suggested that the maintenance of at least 255? of the cells in any one phase of the cycle ensures a supply of the required hormone at all times.

Élaboration d’un simulateur de gravure par plasma de haute densité basé sur une approche cellulaire pour l’étude de profils dans divers matériaux

La réalisation de dispositifs à des dimensions sous-micrométriques et nanométriques demande une maîtrise parfaite des procédés de fabrication, notamment ceux de gravure. La réalisation des ces dispositifs est complexe et les exigences en termes de qualité et de géométrie des profils de gravure imposent de choisir les conditions opératoires les mieux adaptées. Les simulations de l'évolution spatio-temporelle des profils de gravure que nous proposons dans cette thèse s'inscrivent parfaitement dans ce contexte. Le simulateur que nous avons réalisé offre la possibilité de mieux comprendre les processus qui entrent en jeu lors de la gravure par plasma de profils dans divers matériaux. Il permet de tester l'influence des paramètres du plasma sur la forme du profil et donc de déterminer les conditions opératoires optimales. La mise au point de ce simulateur s'appuie sur les concepts fondamentaux qui gouvernent la gravure par plasma. À partir de l'état des lieux des différentes approches numériques pouvant être utilisées, nous avons élaboré un algorithme stable et adaptable permettant de mettre en évidence l'importance de certains paramètres clés pour la réalisation de profils de gravure par un plasma à haute densité et à basse pression. Les capacités de cet algorithme ont été testées en étudiant d'une part la pulvérisation de Si dans un plasma d'argon et d'autre part, la gravure chimique assistée par les ions de SiO2/Si dans un plasma de chlore. Grâce aux comparaisons entre profils simulés et expérimentaux, nous avons montré l'importance du choix de certains paramètres, comme la nature du gaz utilisé et la pression du plasma, la forme initiale du masque, la sélectivité masque/matériau, le rapport de flux neutre/ion, etc. Nous avons aussi lié ces paramètres à la formation de défauts dans les profils, par exemple celle de facettes sur le masque, de parois concaves, et de micro-tranchées. Enfin, nous avons montré que le phénomène de redépôt des atomes pulvérisés entre en compétition avec la charge électrique de surface pour expliquer la formation de profils en V dans le Pt pulvérisé par un plasma d'argon.

Simulation de profils de gravure et de dépôt à l’échelle du motif pour l’étude des procédés de microfabrication utilisant une source plasma de haute densité à basse pression

En lien avec l’avancée rapide de la réduction de la taille des motifs en microfabrication, des processus physiques négligeables à plus grande échelle deviennent dominants lorsque cette taille s’approche de l’échelle nanométrique. L’identification et une meilleure compréhension de ces différents processus sont essentielles pour améliorer le contrôle des procédés et poursuivre la «nanométrisation» des composantes électroniques. Un simulateur cellulaire à l’échelle du motif en deux dimensions s’appuyant sur les méthodes Monte-Carlo a été développé pour étudier l’évolution du profil lors de procédés de microfabrication. Le domaine de gravure est discrétisé en cellules carrées représentant la géométrie initiale du système masque-substrat. On insère les particules neutres et ioniques à l’interface du domaine de simulation en prenant compte des fonctions de distribution en énergie et en angle respectives de chacune des espèces. Le transport des particules est effectué jusqu’à la surface en tenant compte des probabilités de réflexion des ions énergétiques sur les parois ou de la réémission des particules neutres. Le modèle d’interaction particule-surface tient compte des différents mécanismes de gravure sèche telle que la pulvérisation, la gravure chimique réactive et la gravure réactive ionique. Le transport des produits de gravure est pris en compte ainsi que le dépôt menant à la croissance d’une couche mince. La validité du simulateur est vérifiée par comparaison entre les profils simulés et les observations expérimentales issues de la gravure par pulvérisation du platine par une source de plasma d’argon.

Étude de la cinétique et des dommages de gravure par plasma de couches minces de nitrure d’aluminium

Une étape cruciale dans la fabrication des MEMS de haute fréquence est la gravure par plasma de la couche mince d’AlN de structure colonnaire agissant comme matériau piézoélectrique. Réalisé en collaboration étroite avec les chercheurs de Teledyne Dalsa, ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant la cinétique ainsi que la formation de dommages lors de la gravure de l’AlN dans des plasmas Ar/Cl2/BCl3. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de l’influence des conditions opératoires d’un plasma à couplage inductif sur la densité des principales espèces actives de la gravure, à savoir, les ions positifs et les atomes de Cl. Ces mesures ont ensuite été corrélées aux caractéristiques de gravure, en particulier la vitesse de gravure, la rugosité de surface et les propriétés chimiques de la couche mince. Dans les plasmas Ar/Cl2, nos travaux ont notamment mis en évidence l’effet inhibiteur de l’AlO, un composé formé au cours de la croissance de l’AlN par pulvérisation magnétron réactive et non issu des interactions plasmas-parois ou encore de l’incorporation d’humidité dans la structure colonnaire de l’AlN. En présence de faibles traces de BCl3 dans le plasma Ar/Cl2, nous avons observé une amélioration significative du rendement de gravure de l’AlN dû à la formation de composés volatils BOCl. Par ailleurs, selon nos travaux, il y aurait deux niveaux de rugosité post-gravure : une plus faible rugosité produite par la présence d’AlO dans les plasmas Ar/Cl2 et indépendante de la vitesse de gravure ainsi qu’une plus importante rugosité due à la désorption préférentielle de l’Al dans les plasmas Ar/Cl2/BCl3 et augmentant linéairement avec la vitesse de gravure.

Modification des propriétés optiques de nanofils à base de GaN par plasma N2/O2

Une sonde électrostatique de Langmuir cylindrique a été utilisée pour caractériser une post-décharge d’un plasma d’ondes de surface de N2-O2 par la mesure de la densité des ions et électrons ainsi que la température des électrons dérivée de la fonction de distribution en énergie des électrons (EEDF). Une densité maximale des électrons au centre de la early afterglow de l’ordre de 1013 m-3 a été déterminée, alors que celle-ci a chuté à 1011 m-3 au début de la late afterglow. Tout au long du profil de la post-décharge, une densité des ions supérieure à celle des électrons indique la présence d’un milieu non macroscopiquement neutre. La post-décharge est caractérisée par une EEDF quasi maxwellienne avec une température des électrons de 0.5±0.1 eV, alors qu’elle grimpe à 1.1 ±0.2 eV dans la early afterglow due à la contribution des collisions vibrationnelles-électroniques (V-E) particulièrement importantes. L’ajout d’O2 dans la décharge principale entraîne un rehaussement des espèces chargées et de la température des électrons suivi d’une chute avec l’augmentation de la concentration d’O2. Le changement de la composition électrique de la post-décharge par la création de NO+ au détriment des ions N2+ est à l’origine du phénomène. Le recours à cette post-décharge de N2 pour la modification des propriétés d’émission optique de nanofils purs de GaN et avec des inclusions d’InGaN a été étudié par photoluminescence (PL). Bien que l’émission provenant des nanofils de GaN et de la matrice de GaN recouvrant les inclusions diminue suite à la création de sites de recombinaison non radiatifs, celle provenant des inclusions d’InGaN augmente fortement. Des mesures de PL par excitation indiquent que cet effet n’est pas attribuable à un changement de l’absorption de la surface de GaN. Ceci suggère un recuit dynamique induit par la désexcitation des métastables de N2 suite à leur collision à la surface des nanofils et la possibilité de passiver les défauts de surface tels que des lacunes d’azote par l’action d’atomes de N2 réactifs provenant de la post-décharge. L’incorporation d’O2 induit les mêmes effets en plus d’un décalage vers le rouge de la bande d’émission des inclusions, suggérant l’action des espèces d’O2 au sein même des nanostructures.

Dynamique de croissance par plasma RF magnétron des couches minces à base d’oxyde de zinc

Le but de cette thèse était d’étudier la dynamique de croissance par pulvérisation par plasma RF magnétron des couches minces à base d’oxyde de zinc destinées à des applications électroniques, optoélectroniques et photoniques de pointe. Dans ce contexte, nous avons mis au point plusieurs diagnostics permettant de caractériser les espèces neutres et chargées dans ce type de plasmas, notamment la sonde électrostatique, la spectroscopie optique d’émission et d’absorption, ainsi que la spectrométrie de masse. Par la suite, nous avons tenté de corréler certaines caractéristiques physiques de croissance des couches de ZnO, en particulier la vitesse de dépôt, aux propriétés fondamentales du plasma. Nos résultats ont montré que l’éjection d’atomes de Zn, In et O au cours de la pulvérisation RF magnétron de cibles de Zn, ZnO et In2O3 n’influence que très peu la densité d’ions positifs (et donc la densité d’électrons en supposant la quasi-neutralité) ainsi que la fonction de distribution en énergie des électrons (populations de basse et haute énergie). Cependant, le rapport entre la densité d’atomes d’argon métastables (3P2) sur la densité électronique décroît lorsque la densité d’atomes de Zn augmente, un effet pouvant être attribué à l’ionisation des atomes de Zn par effet Penning. De plus, dans les conditions opératoires étudiées (plasmas de basse pression, < 100 mTorr), la thermalisation des atomes pulvérisés par collisions avec les atomes en phase gazeuse demeure incomplète. Nous avons montré que l’une des conséquences de ce résultat est la présence d’ions Zn+ suprathermiques près du substrat. Finalement, nous avons corrélé la quantité d’atomes de Zn pulvérisés déterminée par spectroscopie d’émission avec la vitesse de dépôt d’une couche mince de ZnO mesurée par ellipsométrie spectroscopique. Ces travaux ont permis de mettre en évidence que ce sont majoritairement les atomes de Zn (et non les espèces excitées et/ou ioniques) qui gouvernent la dynamique de croissance par pulvérisation RF magnétron des couches minces de ZnO.

Synthesis and Characterization of Some Organic Semiconductors and Investigations on the Effect of Swift Heavy Ions on Their Properties

In this work polymers belonging to polyaniline and polyaniline doped with camphor sulphonic acid are synthesised. Cobalt phthalocyanine is an interesting candidate belonging to the tetramers. Studies on the composites containing cobalt phthalocyanine tetramer and polyaniline doped with camphor sulphonic acid for various concentration are also undertaken in order to understand the mechanism. RF plasma polymerised aniline and furfural are prepared. The structural and electrical properties are evaluated. The bombardment of swift heavy ions of these films are carried out and the effect of irradiation on their properties is also investigated.

Collective behavior of laser-produced plasma from a multicomponent YBa2Cu3O7 target in air

The dynamics of diffusion of electrons and ions from the laser-produced plasma from a multielement superconducting material, namely YBa2Cu3O7, using a Q-switched Nd:YAG laser is investigated by time-resolved emission-spectroscopic techniques at various laser irradiances. It is observed that beyond a laser irradiance of 2.6 \xC3\x97 1011 W cm-2, the ejected plume collectively drifts away from the target with a sharp increase in velocity to 1.25 \xC3\x97 106 cm s-1, which is twice its velocity observed at lower laser irradiances. This sudden drift apparently occurs as a result of the formation of a charged double layer at the external plume boundary. This diffusion is collective, that is, the electrons and ions inside the plume diffuse together simultaneously and hence it is similar to the ambipolar diffusion of charged particles in a discharge plasma

Time evolution of Nd:YAG laser-induced plasma from GdBa2Cu3O7 high-Tc superconductor

In order to characterise the laser ablation process from high-Tc superconductors, the time evolution of plasma produced by a Q-switching Nd:YAG laser from a GdBa2Cu3O7 superconducting sample has been studied using spectroscopic and ion-probe techniques. It has been observed that there is a fairly large delay for the onset of the emission from oxide species in comparison with those from atoms and ions of the constituent elements present in the plasma. Faster decay occurs for emission from oxides and ions compared with that from neutral atoms. These observations support the view that oxides are not directly produced from the target, but are formed by the recombination process while the plasma cools down. Plasma parameters such as temperature and velocity are also evaluated.

Temporal and spatial evolution of laser ablated plasma from YBa2Cu3O7

YBa2Cu307 target was laser ablated, and the time-of-flight (TOF) distributions of Y, Y+., and YO in the resultant plasma were investigated as functions of distance from the target and laser energy density using emission spectroscopy. Up to a short distance from the target (-1.5 cm), TOF distributions show twin peaks for Y and YO, while only single-peak distribution is observed for Y+. At greater distances (>1.5 cm) all of them exhibit single-peak distribution. The twin peaks are assigned to species corresponding to those generated directly/m the vicinity of target surface and to those generated from collisional/recombination process.