Thin Ta films: growth, stability, and diffusion studied by molecular-dynamics simulations

We report results of classical molecular-dynamics simulations of bcc and beta-Ta thin films. Thermal PVD film growth, surface roughness, argon ion bombardment, phase stability and transformation, vacancy and adatom diffusion, and thermal relaxation kinetics are discussed. Distinct differences between the two structures are observed, including a complex vacancy diffusion mechanism in beta-Ta. Embedded atom method potentials, which were fitted to bcc properties, have been used to model the Ta-Ta interactions. In order to verify the application of these potentials to the more complex beta-Ta structure, we have also performed density functional theory calculations. Results and implications of these calculations are discussed.

Epidermal Langerhans Cells are Dispensable for Humoral and Cell-Mediated Immunity Elicited by Gene Gun Immunization.

Gene gun immunization, i.e., bombardment of skin with DNA-coated particles, is an efficient method for the administration of DNA vaccines. Direct transfection of APC or cross-presentation of exogenous Ag acquired from transfected nonimmune cells enables MHC-I-restricted activation of CD8(+) T cells. Additionally, MHC-II-restricted presentation of exogenous Ag activates CD4(+) Th cells. Being the principal APC in the epidermis, Langerhans cells (LC) seem ideal candidates to accomplish these functions. However, the dependence on LC of gene gun-induced immune reactions has not yet been demonstrated directly. This was primarily hampered by difficulties to discriminate the contributions of LC from those of other dermal dendritic cells. To address this problem, we have used Langerin-diphtheria toxin receptor knockin mice that allow for selective inducible ablation of LC. LC deficiency, even over the entire duration of experiments, did not affect any of the gene gun-induced immune functions examined, including proliferation of CD4(+) and CD8(+) T cells, IFN-gamma secretion by spleen cells, Ab production, CTL activity, and development of protective antitumor immunity.

Characterization of stationary and pulsed inductively coupled RF discharges for plasma sterilization

Sterilization of bio-medical materials using radio frequency (RF) excited inductively coupled plasmas (ICPs) has been investigated. A double ICP has been developed and studied for homogenous treatment of three-dimensional objects. Sterilization is achieved through a combination of ultraviolet light, ion bombardment and radical treatment. For temperature sensitive materials, the process temperature is a crucial parameter. Pulsing of the plasma reduces the time average heat strain and also provides additional control of the various sterilization mechanisms. Certain aspects of pulsed plasmas are, however, not yet fully understood. Phase resolved optical emission spectroscopy and time resolved ion energy analysis illustrate that a pulsed ICP ignites capacitively before reaching a stable inductive mode. Time resolved investigations of the post-discharge, after switching off the RF power, show that the plasma boundary sheath in front of a substrate does not fully collapse for the case of hydrogen discharges. This is explained by electron heating through super-elastic collisions with vibrationally excited hydrogen molecules.

Observation of fast hydrogen atoms formed by ion bombarding of surfaces

We report on the observation of fast hydrogen atoms in a capacitively coupled RF reactor by optical emission spectroscopy. For the analysis we use the prominent H-alpha emission line of atomic hydrogen in combination with other lines from molecular hydrogen and argon. Several chaxacteristic emission structures can be identified. One of these structures is related to fast hydrogen atoms traveling from the surface of the powered electrode to the plasma bulk. From the appearance time within the RF period we conclude that this feature originates from ion bombardment of the electrode surface. Measured pressure dependencies and a simple model for the ion dynamics support this assumption.

Plasma parameter characterization of a reflex plasma source operating in oxygen

A reflex discharge plasma, obtained as a hybrid between a Penning discharge plasma (PDP) and a hollow-cathode discharge (HCD) plasma, is analysed as a possible direction-current, high-density plasma source. The experiment is run in oxygen at pressures of 10 mTorr and 1 mTorr, and for discharge currents of 100 to 200 mA. Although the gas pressure is considerably lower than those used in HCDs, the hollow-cathode effect (HCE) occurs for current levels higher than 100 mA and leads to plasma densities comparable with those obtained using inductive plasma sources. The presence of a constant magnetic field leads to the enhancement of electron emission from cathodes under ion bombardment, and to the decreasing of the ion loss by diffusion to the wall.

Energy distributions of copper ions and atoms sputtered by atomic and molecular ions

Non-resonant multiphoton ionization combined with quadrupole and time-of-flight analysis has been used to study sputtering by both atomic and molecular ion beams. The mass spectra and energy distributions of both sputtered atoms and secondary ions produced by 3.6 keV Ar+, N+, N-2(+), CF2+ and CF3+ ion bombardment at 45 degrees to a polycrystalline copper target have been measured. The energy distributions of the copper ions and atoms are found to be different and quite complex. The ion distributions can generally be described by a linear collision cascade model, with possible evidence for a knock-on contribution. The sputtered atom distributions are partially described by a combination of linear collision cascade and dense cascade (thermal spike) models. This is interpreted as support for a time-evolving sputtering mechanism.

Tailoring the nonlinear frequency coupling between odd harmonics for the optimisation of charged particle dynamics in capacitively coupled oxygen plasmas

The influence of nonlinear frequency coupling in an oxygen plasma excited by two odd harmonics at moderate pressure is investigated using a numerical model. Through variations in the voltage ratio and phase shift between the frequency components changes in ionization dynamics and sheath voltages are demonstrated. Furthermore, a regime in which the voltage drop across the plasma sheath is minimised is identified. This regime provides a significantly higher ion flux than a single frequency discharge driven by the lower of the two frequencies alone. These operating parameters have potential to be exploited for plasma processes requiring low ion bombardment energies but high ion fluxes. 

Chelated fluoroboron cations : synthesis and multinuclear nmr studies

The preparation of chelated difluoroboron cations (DD)BF2+, where DD is a saturated polydentate tertiary-amine or polydentate aromatic ligand, has been systematically studied by using multinuclear solution and solid state nuclear magnetic resonance spectroscopy and fast atom bombardment mass spectrometry. Three new methods of synthesis of (DD)BF2+ cations are reported, and compared with the previous method of reacting a chelating donor with Et20.BF3. The methods most effective for aromatic donors such as 1,1O-phenanthroline are ineffective for saturated polydentate tertiary-amines like N,N,N' ,Nil ,Nil-pentamethyldiethylenetriamine. Polydentate tertiary-amine donors that form 5-membered rings upon bidentate chelation were found to chelate effectively when the BF2 source contained two leaving groups (a heavy halide and a Lewis base such as pyridine =pyr or isoxazole =ISOX), i.e., pyr.BF2X (X = CI or Br), ISOX.BF2X and (pyr)2BF2+. Those that would form 6membered rings upon chelation do not chelate by any of the four methods. Polydentate aromatic ligands chelate effectively when the BF2 source contained a weak Lewis base, e.g., ISOX.BF3, ISOX.BF2X and Et20.BF3. Bidentate chelation by polydentate tertiaryamine and aromatic donors leads to nmr parameters that are significantly different then their (D)2BF2+ relatives (D =monod~ntate t-amines or pyridines). The chelated haloboron cations (DD)BFCI+, and (DD)BFBr+ were generated from D.BFX2 adducts for all ligands that form BF2+ cations above. In addition, the (DD)BCI2+ and (DD)BBr2+ cations were formed from D.BX3 adducts by the chelating aromatic ligands, except for the aromatic ligand 1,8-bis(dimethylamino)naphthalene, which formed only the (DD)BF2+ cation, apparently due to its extreme steric hindrance. Chelation by a donor is a two-step reaction. For polydentate tertiary-amine ligands, the two rates appear to be very dependent on the two possible leaving groups on the central boron atom. The order of increasing ease of displacement for the donors was: pyr < Cl < Br < ISOX. The rate of chelation by polydentate aromatic ligands appears to be dependent on the displacement of the first ligand from the boron. The order of increasing ease of displacement for the donors was: pyr < CI < ISOX ~ Br < Et20.

The isolation, partial purification and preliminary characterization of a growth factor from chick embryo brains

Chicl( brain growth factor (CBGF) is a mitogen isolated from embryonic chick brains thought to have a potential role as a trophic factor involved in nerve dependent amphibian limb regeneration. In addition, CBGF stimulates 3H-thymidine incorporation in chick embryo brain astrocytes in vitro. In this study, cultured chick embryo brain non-neuronal cells were employed in a bioassay to monitor CBGF activity throughout various stages of its pllrification. Cell culture and assay conditions were optimized. Nonneuronal cells grew best on collagen-coated culture dishes in complete medium, were most responsive to a growth stimulus [10% fetal bovine serum (FBS)] at the second and third subcultures, and were healthiest when rendered "quiescent" in medium supplemented with 1% FBS. The most effective bioassay conditions consisted of a minimum 14.5 hour "quiescence" time (24 hours was used), a 6 hour "prestimulation" time, and a 24 hour 3H-thymidine labeling time. Four-day subconfluent primary non-neuronal cells consisted of 6.63% GFAP positive cells; as a result cultures were thought to be mainly composed of astroblasts. CBGF was purified from 18-day chick embryo brains by ultrafiltration through Amicon PM-30 and YM-2 membranes, size exclusion chromatography through a Biogel P6 column, and analytical reverse-phase high-performance liquid chromatography (rp-HPLC). The greatest activity resided in rp-HPLC fraction #7 (10 ng/ml) which was as effective as 10% FBS at stimulating 3H-thymidine incorporation in chick embryo brain nonneuronal cells. Although other researchers report the isolation of a mitogenic fraction consisting of 5'-GMP from the embryonic chick brain, UV absorbance spectra, rp-HPLC elution profiles, and fast atom bombardment (FAB) mass spectra indicated that CBGF is neither 5'-GMP nor 51-AMP. 2 Moreover, commercially available 5t-GMP was inhibitory to 3H-thymidine incorporation in the chick non-neuronal cells, while Sf-AMP had no effect. Upon treatment with pronase, the biological activity of fraction P6-3 increased; this increase was nearly 30% greater than what would be expected from a simple additive effect of any mitogenic activity of pronase alone together with P6-3 alone. This may suggest the presence of an inhibitor protein. The bioactive component may be a protein protected by a nucleoside/nucleotide or simply a nucleoside/nucleotide acting alone. While the FAB mass spectrum of rp-HPLC fraction #7 did not reveal molecular weight or sequence information, the ion of highest molecular weight was observed at m/z 1610; this is consistent with previous estimations of CBGF's size. 3

Studies in the mass spectra of perfluoroaromatic derivatives of phosphorus and some selected transition metals

The mass spectra and fragmentation of a variety of fluoroaromatic compounds of Group V and some selected transition elements are discussed in some detail, aided by data from metastable defocussed experiments. Results of ,studies on the coupling reaction using unstable organotitanium chloride intermediate species are reported. The preparation of some 5-substituted octafluorodibenzophospho1es is also discussed. Rearrangements under electron bombardment resulting in the loss of heteroatom-fluoride fragments are discussed in the light of presently accepted mechanisms for these processes as are rearrangements observed in compounds involving thionophosphoryl bonds ( p=s ).

Surface effect ferromagnetism in pure and reduced strontium titanate

A room temperature ferromagnetic hysteresis is observed in single crystal strontium titanate substrates as purchased from several manufacturers. It was found that polishing all sides of the substrates removed this observed hysteresis, suggesting that the origin of the ferromagnetic behavior resides on the surface of the substrates. X-ray diffraction and energy dispersive x-ray spectra were measured however they were unable to detect any impurity phases. In similar semiconducting oxides it was previously suggested that ferromagnetism could originate in oxygen vacancies or from disorder within the single crystal. To this end substrates were annealed in both air and vacuum in a range of temperatures (600°C to 1100°G) to both create bulk oxygen vacancies and to heal surface damage. Annealing in vacuum was found to create a measureable number of oxygen vacancies however their creation could not be correlated to the ferromagnetic signal of the substrate. Annealing in air was found to effect the remnant moment of the substrate as well as the width of the x-ray diffraction peaks on the unpolished face, weakly suggesting a relation between surface based disorder and ferromagnetism. Argon ion bombardment was employed to create a layer of surface disorder in the polished crystal, however it was not found to induce ferromagnetism. It was found that acid etching was sufficient to remove the ferromagnetism from as purchased samples and similarly simulated handling with stainless steel tweezers was sufficient to re-create the ferromagnetism. It is suggested that the origin of this ferromagnetism in SrTi03 is surface contaminants (mainly iron).

Caractérisation d'une famille de récepteurs kinases impliqués dans le développement gamétophytique chez Arabidopsis thaliana

Au cours du développement des végétaux, de l’établissement de l’identité cellulaire des premiers organes au guidage du tube pollinique, la communication cellule à cellule est d’une importance capitale. En réponse, les voies de signalisation moléculaires sont élaborées pour la perception d’un signal extérieur et la transduction en une réponse génique via une cascade intracellulaire. Les récepteurs kinases font partie des protéines perceptrices des stimuli et constituent chez les plantes une catégorie de protéines avec une occurrence considérable, mais dont très peu d’informations détaillées sont disponibles à ce jour. Une famille de récepteurs kinases chez Arabidopsis thaliana, AtORK11 (Arabidopsis thaliana Ovule Receptor Kinase 11), a été identifiée par orthologie à un récepteur spécifique aux ovaires chez une solanacéee sauvage, Solanum chacoense. La fonction présumée de cette famille de récepteurs kinases de type leucine-rich repeat, suggérée par son patron d’expression, implique les événements relatifs au développement des gamétophytes et à la reproduction. Afin de caractériser la fonction des quatre gènes de la famille (AtORK11a, AtORK11b, AtORK11c et AtORK11d) une stratégie d’analyse de mutants d’insertion de l’ADN-T et d’évaluation du mode d’action par complémentation bimoléculaire par fluorescence (BiFC) a été entreprise. Aucune fonction précise n’a pu être attribuée aux doubles mutants d’insertion, par contre la surexpression d’une construction dominante négative indique un rôle dans le développement gamétophytique. Il a aussi été démontré que les quatre récepteurs peuvent interagir par homodimérisation aussi bien que par hétérodimérisation. Une hypothèse de redondance fonctionnelle est ainsi mise à jour parmi la famille des gènes AtORK11.

Mécanismes de déformation de nanoparticules d’Au par irradiation ionique

Résumé Dans la présente thèse, nous avons étudié la déformation anisotrope par bombardement ionique de nanoparticules d'or intégrées dans une matrice de silice amorphe ou d'arséniure d’aluminium cristallin. On s’est intéressé à la compréhension du mécanisme responsable de cette déformation pour lever toute ambigüité quant à l’explication de ce phénomène et pour avoir une interprétation consistante et unique. Un procédé hybride combinant la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a été utilisé pour la fabrication de couches nanocomposites Au/SiO2 sur des substrats de silice fondue. Des structures à couches simples et multiples ont été obtenues. Le chauffage pendant ou après le dépôt active l’agglomération des atomes d’Au et par conséquent favorise la croissance des nanoparticules. Les nanocomposites Au/AlAs ont été obtenus par implantation ionique de couches d’AlAs suivie de recuit thermique rapide. Les échantillons des deux nanocomposites refroidis avec de l’azote liquide ont été irradiés avec des faisceaux de Cu, de Si, d’Au ou d’In d’énergie allant de 2 à 40 MeV, aux fluences s'étendant de 1×1013 à 4×1015 ions/cm2, en utilisant le Tandem ou le Tandetron. Les propriétés structurales et morphologiques du nanocomposite Au/SiO2 sont extraites en utilisant des techniques optiques car la fréquence et la largeur de la résonance plasmon de surface dépendent de la forme et de la taille des nanoparticules, de leur concentration et de la distance qui les séparent ainsi que des propriétés diélectriques du matériau dans lequel les particules sont intégrées. La cristallinité de l’arséniure d’aluminium est étudiée par deux techniques: spectroscopie Raman et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/canalisation). La quantité d’Au dans les couches nanocomposites est déduite des résultats RBS. La distribution de taille et l’étude de la transformation de forme des nanoparticules métalliques dans les deux nanocomposites sont déterminées par microscopie électronique en transmission. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ont fait l’objet de trois articles de revue. La première publication montre la possibilité de manipuler la position spectrale et la largeur de la bande d’absorption des nanoparticules d’or dans les nanocomposites Au/SiO2 en modifiant leur structure (forme, taille et distance entre particules). Les nanoparticules d’Au obtenues sont presque sphériques. La bande d’absorption plasmon de surface (PS) correspondante aux particules distantes est située à 520 nm. Lorsque la distance entre les particules est réduite, l’interaction dipolaire augmente ce qui élargit la bande de PS et la déplace vers le rouge (602 nm). Après irradiation ionique, les nanoparticules sphériques se transforment en ellipsoïdes alignés suivant la direction du faisceau. La bande d’absorption se divise en deux bandes : transversale et longitudinale. La bande correspondante au petit axe (transversale) est décalée vers le bleu et celle correspondante au grand axe (longitudinale) est décalée vers le rouge indiquant l’élongation des particules d’Au dans la direction du faisceau. Le deuxième article est consacré au rôle crucial de la déformation plastique de la matrice et à l’importance de la mobilité des atomes métalliques dans la déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans les nanocomposites Au/SiO2. Nos mesures montrent qu'une valeur seuil de 2 keV/nm (dans le pouvoir d'arrêt électronique) est nécessaire pour la déformation des nanoparticules d'or. Cette valeur est proche de celle requise pour la déformation de la silice. La mobilité des atomes d’Au lors du passage d’ions est confirmée par le calcul de la température dans les traces ioniques. Le troisième papier traite la tentative de formation et de déformation des nanoparticules d’Au dans une matrice d’arséniure d’aluminium cristallin connue pour sa haute résistance à l’amorphisation et à la déformation sous bombardement ionique. Le résultat principal de ce dernier article confirme le rôle essentiel de la matrice. Il s'avère que la déformation anisotrope du matériau environnant est indispensable pour la déformation des nanoparticules d’or. Les résultats expérimentaux mentionnés ci-haut et les calculs de températures dans les traces ioniques nous ont permis de proposer le scénario de déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans le nanocomposite Au/SiO2 suivant: - Chaque ion traversant la silice fait fondre brièvement un cylindre étroit autour de sa trajectoire formant ainsi une trace latente. Ceci a été confirmé par la valeur seuil du pouvoir d’arrêt électronique. - L’effet cumulatif des impacts de plusieurs ions conduit à la croissance anisotrope de la silice qui se contracte dans la direction du faisceau et s’allonge dans la direction perpendiculaire. Le modèle de chevauchement des traces ioniques (overlap en anglais) a été utilisé pour valider ce phénomène. - La déformation de la silice génère des contraintes qui agissent sur les nanoparticules dans les plans perpendiculaires à la trajectoire de l’ion. Afin d’accommoder ces contraintes les nanoparticules d’Au se déforment dans la direction du faisceau. - La déformation de l’or se produit lorsqu’il est traversé par un ion induisant la fusion d’un cylindre autour de sa trajectoire. La mobilité des atomes d’or a été confirmée par le calcul de la température équivalente à l’énergie déposée dans le matériau par les ions incidents. Le scénario ci-haut est compatible avec nos données expérimentales obtenues dans le cas du nanocomposite Au/SiO2. Il est appuyé par le fait que les nanoparticules d’Au ne se déforment pas lorsqu’elles sont intégrées dans l’AlAs résistant à la déformation.

Étude de la formation et de l'évolution de nanostructures par méthodes Monte Carlo

Cette thèse, composée de quatre articles scientifiques, porte sur les méthodes numériques atomistiques et leur application à des systèmes semi-conducteurs nanostructurés. Nous introduisons les méthodes accélérées conçues pour traiter les événements activés, faisant un survol des développements du domaine. Suit notre premier article, qui traite en détail de la technique d'activation-relaxation cinétique (ART-cinétique), un algorithme Monte Carlo cinétique hors-réseau autodidacte basé sur la technique de l'activation-relaxation nouveau (ARTn), dont le développement ouvre la voie au traitement exact des interactions élastiques tout en permettant la simulation de matériaux sur des plages de temps pouvant atteindre la seconde. Ce développement algorithmique, combiné à des données expérimentales récentes, ouvre la voie au second article. On y explique le relâchement de chaleur par le silicium cristallin suite à son implantation ionique avec des ions de Si à 3 keV. Grâce à nos simulations par ART-cinétique et l'analyse de données obtenues par nanocalorimétrie, nous montrons que la relaxation est décrite par un nouveau modèle en deux temps: "réinitialiser et relaxer" ("Replenish-and-Relax"). Ce modèle, assez général, peut potentiellement expliquer la relaxation dans d'autres matériaux désordonnés. Par la suite, nous poussons l'analyse plus loin. Le troisième article offre une analyse poussée des mécanismes atomistiques responsables de la relaxation lors du recuit. Nous montrons que les interactions élastiques entre des défauts ponctuels et des petits complexes de défauts contrôlent la relaxation, en net contraste avec la littérature qui postule que des "poches amorphes" jouent ce rôle. Nous étudions aussi certains sous-aspects de la croissance de boîtes quantiques de Ge sur Si (001). En effet, après une courte mise en contexte et une introduction méthodologique supplémentaire, le quatrième article décrit la structure de la couche de mouillage lors du dépôt de Ge sur Si (001) à l'aide d'une implémentation QM/MM du code BigDFT-ART. Nous caractérisons la structure de la reconstruction 2xN de la surface et abaissons le seuil de la température nécessaire pour la diffusion du Ge en sous-couche prédit théoriquement par plus de 100 K.

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.