Understanding near Fermi-level electronic structure through x-ray emission spectroscopy

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Etude spectroscopique d’un plasma micro-onde à la pression atmosphérique et son application à la synthèse de nanostructures

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone.

Optical and electrical diagnostics measurements of plasmas generated in aromatic compounds

Plasmas generated in de discharges in aromatic compounds have been used for several years in polymerization processes. The chemical kinetics developed in such a plasma environment are extremely complicated. Therefore it is extremely important to set up optical and electrical diagnostics in order to establish the kinetics of the film growth, In this work we studied de plasmas generated ill low-pressure atmospheres of benzene for different values of gas pressure and power coupled to the discharge. The pressure range varied from 0.2 to 1.0 mbar for electric power running from 4 to 25 W, the main chemical species observed within the discharge were CH, H and C. It was observed that the CH relative concentration increases continuously with the power in the range investigated. The electron temperature varied from 0.5 to 2.0 eV with the increase of the power, for a fixed value of gas pressure. The relative dielectric constant of the plasma polymerized benzene was kept around 4.8 from 100 Hz to 10 kHz, presenting a resonance near 25 kHz. This electric behaviour of the film was the same fur different conditions of polymeric film deposition, (C) 1997 Elsevier B.V. S.A.

Evaluation of laser induced breakdown spectroscopy for cadmium determination in soils

Cadmium is known to be a toxic agent that accumulates in the living organisms and present high toxicity potential over lifetime. Efforts towards the development of methods for microanalysis of environmental samples, including the determination of this element by graphite furnace atomic absorption spectrometry (GFAAS). inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP OES), and inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) techniques, have been increasing. Laser induced breakdown spectroscopy (UBS) is an emerging technique dedicated to microanalysis and there is a lack of information dealing with the determination of cadmium. The aim of this work is to demonstrate the feasibility of LIBS for cadmium detection in soils. The experimental setup was designed using a laser Q-switched (Nd:YAG, 10 Hz, lambda = 1064 nm) and the emission signals were collimated by lenses into an optical fiber Coupled to a high-resolution intensified charge-coupled device (ICCD)-echelle spectrometer. Samples were cryogenically ground and thereafter pelletized before LIBS analysis. Best results were achieved by exploring a test portion (i.e. sampling spots) with larger surface area, which contributes to diminish the uncertainty due to element specific microheterogeneity. Calibration curves for cadmium determination were achieved using certified reference materials. The metrological figures of merit indicate that LIBS can be recommended for screening of cadmium contamination in soils. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Exploring the emission intensities of ICP OES aided by chemometrics in the geographical discrimination of mineral waters

A rapid method for classification of mineral waters is proposed. The discrimination power was evaluated by a novel combination of chemometric data analysis and qualitative multi-elemental fingerprints of mineral water samples acquired from different regions of the Brazilian territory. The classification of mineral waters was assessed using only the wavelength emission intensities obtained by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP OES), monitoring different lines of Al, B, Ba, Ca, Cl, Cu, Co, Cr, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, P, Pb, S, Sb, Si, Sr, Ti, V, and Zn, and Be, Dy, Gd, In, La, Sc and Y as internal standards. Data acquisition was done under robust (RC) and non-robust (NRC) conditions. Also, the combination of signal intensities of two or more emission lines for each element were evaluated instead of the individual lines. The performance of two classification-k-nearest neighbor (kNN) and soft independent modeling of class analogy (SIMCA)-and preprocessing algorithms, autoscaling and Pareto scaling, were evaluated for the ability to differentiate between the various samples in each approach tested (combination of robust or non-robust conditions with use of individual lines or sum of the intensities of emission lines). It was shown that qualitative ICP OES fingerprinting in combination with multivariate analysis is a promising analytical tool that has potential to become a recognized procedure for rapid authenticity and adulteration testing of mineral water samples or other material whose physicochemical properties (or origin) are directly related to mineral content.