Développement et caractérisation de sources de neutres réactifs pour l’étude des interactions plasmas-surfaces

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer et de caractériser diverses sources de neutres réactifs destinées à des études fondamentales des interactions plasmas-surfaces. Ce projet s’inscrit dans le cadre d’une vaste étude de la physique des interactions plasmas-parois mises en jeu dans les procédés de gravure par plasma des matériaux de pointe. Une revue de la littérature scientifique sur les diverses méthodes permettant de générer des faisceaux de neutres réactifs nous a permis de sélectionner deux types de sources. La première, une source pyrolitique, a été caractérisée par spectrométrie de masse en utilisant le C2F6 comme molécule mère. Nous avons montré que le C2F6 était dissocié à plus de 90% à 1000ºC et qu’il formait du CF4, lui-même dissocié en CF2 vers 900ºC. Ces résultats ont été validés à l’aide d’un modèle basé sur des calculs d’équilibres chimiques, qui a aussi prédit la formation de F à 1500ºC. La seconde source, un plasma entretenu par une onde électromagnétique de surfaces, a été caractérisée par spectroscopie optique d’émission et par interférométrie haute fréquence. Dans le cas du plasma d’argon créé par un champ électromagnétique (>GHz), nos travaux ont révélé une distribution en énergie des électrons à trois températures avec Te-low>Te-high

Une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics : simulation des interfaces immergées et de la dynamique Brownienne des molécules avec des interactions hydrodynamiques

Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics (SPH) pour la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles, même en présence des forces singulières. Les termes de sources singulières sont traités d'une manière similaire à celle que l'on retrouve dans la méthode Immersed Boundary (IB) de Peskin (2002) ou de la méthode régularisée de Stokeslets (Cortez, 2001). Dans notre schéma numérique, nous mettons en oeuvre une méthode de projection sans pression de second ordre inspirée de Kim et Moin (1985). Ce schéma évite complètement les difficultés qui peuvent être rencontrées avec la prescription des conditions aux frontières de Neumann sur la pression. Nous présentons deux variantes de cette approche: l'une, Lagrangienne, qui est communément utilisée et l'autre, Eulerienne, car nous considérons simplement que les particules SPH sont des points de quadrature où les propriétés du fluide sont calculées, donc, ces points peuvent être laissés fixes dans le temps. Notre méthode SPH est d'abord testée à la résolution du problème de Poiseuille bidimensionnel entre deux plaques infinies et nous effectuons une analyse détaillée de l'erreur des calculs. Pour ce problème, les résultats sont similaires autant lorsque les particules SPH sont libres de se déplacer que lorsqu'elles sont fixes. Nous traitons, par ailleurs, du problème de la dynamique d'une membrane immergée dans un fluide visqueux et incompressible avec notre méthode SPH. La membrane est représentée par une spline cubique le long de laquelle la tension présente dans la membrane est calculée et transmise au fluide environnant. Les équations de Navier-Stokes, avec une force singulière issue de la membrane sont ensuite résolues pour déterminer la vitesse du fluide dans lequel est immergée la membrane. La vitesse du fluide, ainsi obtenue, est interpolée sur l'interface, afin de déterminer son déplacement. Nous discutons des avantages à maintenir les particules SPH fixes au lieu de les laisser libres de se déplacer. Nous appliquons ensuite notre méthode SPH à la simulation des écoulements confinés des solutions de polymères non dilués avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume. Le point de départ de l'algorithme est le système couplé des équations de Langevin pour les polymères et le solvant (CLEPS) (voir par exemple Oono et Freed (1981) et Öttinger et Rabin (1989)) décrivant, dans le cas présent, les dynamiques microscopiques d'une solution de polymère en écoulement avec une représentation bille-ressort des macromolécules. Des tests numériques de certains écoulements dans des canaux bidimensionnels révèlent que l'utilisation de la méthode de projection d'ordre deux couplée à des points de quadrature SPH fixes conduit à un ordre de convergence de la vitesse qui est de deux et à une convergence d'ordre sensiblement égale à deux pour la pression, pourvu que la solution soit suffisamment lisse. Dans le cas des calculs à grandes échelles pour les altères et pour les chaînes de bille-ressort, un choix approprié du nombre de particules SPH en fonction du nombre des billes N permet, en l'absence des forces d'exclusion de volume, de montrer que le coût de notre algorithme est d'ordre O(N). Enfin, nous amorçons des calculs tridimensionnels avec notre modèle SPH. Dans cette optique, nous résolvons le problème de l'écoulement de Poiseuille tridimensionnel entre deux plaques parallèles infinies et le problème de l'écoulement de Poiseuille dans une conduite rectangulaire infiniment longue. De plus, nous simulons en dimension trois des écoulements confinés entre deux plaques infinies des solutions de polymères non diluées avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume.

Interactions médicamenteuses et réactions adverses aux soins intensifs: le rôle des sédatifs et des analgésiants

Les patients admis aux soins intensifs (SI) souffrent de comorbidités qui affectent leur pronostic. Deux problèmes sont potentiellement associés aux sédatifs et compliquent le séjour de 35 à 50% des malades : le délirium, un état confusionnel aigu; et le coma ‘iatrogénique’, une altération de la conscience induite pharmacologiquement. L’importance de l’association entre clinique et médicaments a un intérêt pour prévenir ces syndromes cliniques morbides. Nous voulions étudier le délirium et le coma iatrogénique, les doses administrées de midazolam et de fentanyl, leurs niveaux plasmatiques, les variantes génétiques de métabolisme et de transport et les facteurs inflammatoires et ce, chez 100 patients admis aux soins intensifs. Nos données soulignent l’importance des interactions médicamenteuses dans l’incidence du coma iatrogénique, et réfutent l’association entre les benzodiazépines et le délirium. Ces résultats clarifient la pathophysiologie du délirium, corroborent le manque d’association délirium-benzodiazépines avec un marqueur biologique, c.-à-d. les niveaux sériques, et ouvrent le débat quant aux agents les plus utiles pour traiter l’anxiété et le délirium. Finalement, plusieurs caractéristiques pharmacocinétiques des benzodiazépines administrées aux soins intensifs publiées récemment complètent les données de notre étude quant à la sédation en soins critiques. Un chapitre sur l’importance de la pharmacogénomique en soins intensifs et un débat publié quant au pro et con de l'utilisation des benzodiazépines aux SI, sont soumis en complément de l’étude clinique décrite ci-haut effectuée dans le cadre de cette maîtrise.

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.

Space and time characterization of laser-induced plasmas for applications in chemical analysis and thin film deposition

Après des décennies de développement, l'ablation laser est devenue une technique importante pour un grand nombre d'applications telles que le dépôt de couches minces, la synthèse de nanoparticules, le micro-usinage, l’analyse chimique, etc. Des études expérimentales ainsi que théoriques ont été menées pour comprendre les mécanismes physiques fondamentaux mis en jeu pendant l'ablation et pour déterminer l’effet de la longueur d'onde, de la durée d'impulsion, de la nature de gaz ambiant et du matériau de la cible. La présente thèse décrit et examine l'importance relative des mécanismes physiques qui influencent les caractéristiques des plasmas d’aluminium induits par laser. Le cadre général de cette recherche forme une étude approfondie de l'interaction entre la dynamique de la plume-plasma et l’atmosphère gazeuse dans laquelle elle se développe. Ceci a été réalisé par imagerie résolue temporellement et spatialement de la plume du plasma en termes d'intensité spectrale, de densité électronique et de température d'excitation dans différentes atmosphères de gaz inertes tel que l’Ar et l’He et réactifs tel que le N2 et ce à des pressions s’étendant de 10‾7 Torr (vide) jusqu’à 760 Torr (pression atmosphérique). Nos résultats montrent que l'intensité d'émission de plasma dépend généralement de la nature de gaz et qu’elle est fortement affectée par sa pression. En outre, pour un délai temporel donné par rapport à l'impulsion laser, la densité électronique ainsi que la température augmentent avec la pression de gaz, ce qui peut être attribué au confinement inertiel du plasma. De plus, on observe que la densité électronique est maximale à proximité de la surface de la cible où le laser est focalisé et qu’elle diminue en s’éloignant (axialement et radialement) de cette position. Malgré la variation axiale importante de la température le long du plasma, on trouve que sa variation radiale est négligeable. La densité électronique et la température ont été trouvées maximales lorsque le gaz est de l’argon et minimales pour l’hélium, tandis que les valeurs sont intermédiaires dans le cas de l’azote. Ceci tient surtout aux propriétés physiques et chimiques du gaz telles que la masse des espèces, leur énergie d'excitation et d'ionisation, la conductivité thermique et la réactivité chimique. L'expansion de la plume du plasma a été étudiée par imagerie résolue spatio-temporellement. Les résultats montrent que la nature de gaz n’affecte pas la dynamique de la plume pour des pressions inférieures à 20 Torr et pour un délai temporel inférieur à 200 ns. Cependant, pour des pressions supérieures à 20 Torr, l'effet de la nature du gaz devient important et la plume la plus courte est obtenue lorsque la masse des espèces du gaz est élevée et lorsque sa conductivité thermique est relativement faible. Ces résultats sont confirmés par la mesure de temps de vol de l’ion Al+ émettant à 281,6 nm. D’autre part, on trouve que la vitesse de propagation des ions d’aluminium est bien définie juste après l’ablation et près de la surface de la cible. Toutefois, pour un délai temporel important, les ions, en traversant la plume, se thermalisent grâce aux collisions avec les espèces du plasma et du gaz.

Growth of zinc oxide thin films for optoelectronic application by pulsed laser deposition

Zinc oxide (ZnO) thin films were deposited on quartz, silicon, and polymer substrates by pulsed laser deposition (PLD) technique at different oxygen partial pressures (0.007 mbar to 0.003 mbar). Polycrystalline ZnO films were obtained at room temperature when the oxygen pressure was between 0.003 mbar and .007 mbar, above and below this pressure the films were amorphous as indicated by the X-ray diffraction (XRD). ZnO films were deposited on Al2O3 (0001) at different substrate temperatures varying from 400oC to 600oC and full width half maximum (FWHM) of XRD peak is observed to decrease as substrate temperature increases. The optical band gaps of these films were nearly 3.3 eV. A cylindrical Langmuir probe is used for the investigation of plasma plume arising from the ZnO target. The spatial and temporal variations in electron density and electron temperature are studied. Optical emission spectroscopy is used to identify the different ionic species in the plume. Strong emission lines of neutral Zn, Zn+ and neutral oxygen are observed. No electronically excited O+ cations are identified, which is in agreement with previous studies of ZnO plasma plume.

Fast imaging of laser-blow-off plume:Lateral confinement in ambient environment

The dynamics of plasma plume, formed by the laser-blow-off of multicomponent LiF-C thin film under various ambient pressures ranging from high vacuum to argon pressure of 3 Torr, has been studied using fast imaging technique. In vacuum, the plume has ellipsoidal shape. With the increase in the ambient pressure, sharp plume boundary is developed showing a focusing-like confinement in the lateral space behavior in the front end, which persists for long times. At higher ambient pressure (> 10−1 Torr ), structures are developed in the plasma plume due to hydrodynamic instability/turbulences.

Laser Induced Photothermal Investigations on Thermal and Transport Properties of Certain Selected Photonic Materials

Discovery of coherent optical sources four decades ago has revolutionized all fields of scientific development. One of the path breaking applications of lasers is the emergence of various thermo optic techniques to unravel some of the mysteries of light matter interactions.Thermo optic technique is a valuable tool to evaluate optical and thermal properties of materials in solid,liquid and gaseous states .This technique can also be employed effectively in nondestructive quality evaluation. In this doctoral thesis , the use of photothermal techniques based on photoacoustic and photothermal deflection phenomena for the study of certain class of photonics materials such as semiconductors, nano metal dispersed ceramics, composites of conducting polymers and liquid crystals is elaborated.

Synthesis and Laser induced Studies of nanosized ZnO for Photonic Applications

Over the past few years, a little word with big potential has been rapidly entering into the world's consciousness-'nano'. Nanoscience and technology is a multidisciplinary field, involving the fabrication and understanding of matter at the finest level of a few nanomters.This thesis is about the synthesis and laser induced studies of nanosized ZnO,a versatile material with a wide range of applications.After synthesizing colloids and films of nano ZnO,the samples are studied using different optical methods.Interactions of intense laser beams with nanosized particles are found to open up many interesting scenarios with possible applications in the field of photonics.

Photothermal Investigations on Certain Plasma Polymerized Thin Films and Near IR Overtone Studies of Some Organic Molecules

Photothermal effect refers to heating of a sample due to the absorption of electromagnetic radiation. Photothermal (PT) heat generation which is an example of energy conversion has in general three kinds of applications. 1. PT material probing 2. PT material processing and 3. PT material destruction. The temperatures involved increases from 1-. 3. Of the above three, PT material probing is the most important in making significant contribution to the field of science and technology. Photothermal material characterization relies on high sensitivity detection techniques to monitor the effects caused by PT material heating of a sample. Photothermal method is a powerful high sensitivity non-contact tool used for non-destructive thermal characterization of materials. The high sensitivity of the photothermal methods has led to its application for analysis of low absorbance samples. Laser calorimetry, photothermal radiometry, pyroelectric technique, photoacoustic technique, photothermal beam deflection technique, etc. come under the broad class ofphotothermal techniques. However the choice of a suitable technique depends upon the nature of the sample, purpose of measurement, nature of light source used, etc. The present investigations are done on polymer thin films employing photothermal beam deflection technique, for the successful determination of their thermal diffusivity. Here the sample is excited by a He-Ne laser (A = 6328...\ ) which acts as the pump beam. Due to the refractive index gradient established in the sample surface and in the adjacent coupling medium, another optical beam called probe beam (diode laser, A= 6500A ) when passed through this region experiences a deflection and is detected using a position sensitive detector and its output is fed to a lock-in amplifier from which the amplitude and phase of the deflection can be directly obtained. The amplitude and phase of the signal is suitably analysed for determining the thermal diffusivity.The production of polymer thin film samples has gained considerable attention for the past few years. Plasma polymerization is an inexpensive tool for fabricating organic thin films. It refers to formation of polymeric materials under the influence of plasma, which is generated by some kind of electric discharge. Here plasma of the monomer vapour is generated by employing radio frequency (MHz) techniques. Plasma polymerization technique results in homogeneous, highly adhesive, thermally stable, pinhole free, dielectric, highly branched and cross-linked polymer films. The possible linkage in the formation of the polymers is suggested by comparing the FTIR spectra of the monomer and the polymer.Near IR overtone investigations on some organic molecules using local mode model are also done. Higher vibrational overtones often provide spectral simplification and greater resolution of peaks corresponding to nonequivalent X-H bonds where X is typically C, N or O. Vibrational overtone spectroscopy of molecules containing X-H oscillators is now a well established tool for molecular investigations. Conformational and steric differences between bonds and structural inequivalence ofCH bonds (methyl, aryl, acetylenic, etc.) are resolvable in the higher overtone spectra. The local mode model in which the X-H oscillators are considered to be loosely coupled anharmonic oscillators has been widely used for the interpretation of overtone spectra. If we are exciting a single local oscillator from the vibrational ground state to the vibrational state v, then the transition energy of the local mode overtone is given by .:lE a......v = A v + B v2 • A plot of .:lE / v versus v will yield A, the local mode frequency as the intercept and B, the local mode diagonal anharmonicity as the slope. Here A - B gives the mechanical frequency XI of the oscillator and B = X2 is the anharmonicity of the bond. The local mode parameters XI and X2 vary for non-equivalent X-H bonds and are sensitive to the inter and intra molecular environment of the X-H oscillator.

Prompt electron emission and collisional ionization of ambient gas during pulsed laser ablation of silver

A silver target kept under partial vacuum conditions was irradiated with focused nanosecond pulses at 1:06 mm from a Nd:YAG laser. The electron emission monitored with a Langmuir probe shows a clear twin-peak distribution. The first peak which is very sharp has only a small delay and it indicates prompt electron emission with energy as much as 60 5 eV. Also the prompt electron emission shows a temporal profile with a width that is same as that for the laser pulse whereas the second peak is broader, covers several microseconds, and represents the low-energy electrons (2 0:5 eV) associated with the laser-induced silver plasma as revealed by time-of-flight measurements. It has been found that prompt electrons ejected from the target collisionally excite and ionize ambient gas molecules. Clearly resolved rotational structure is observed in the emission spectra of ambient nitrogen molecules. Combined with time-resolved spectroscopy, the prompt electrons can be used as excitation sources for various collisional excitation–relaxation experiments. The electron density corresponding to the first peak is estimated to be of the order of 1017 cm?--3 and it is found that the density increases as a function of distance away from the target. Dependence of probe current on laser intensity shows plasma shielding at high laser intensities.

Twin peak distribution of electron emission profile and impact ionization of ambient molecules during laser ablation of silver target

Laser-induced plasma generated from a silver target under partial vacuum conditions using the fundamental output of nanosecond duration from a pulsed Nd:yttrium aluminum garnet laser is studied using a Langmuir probe. The time of flight measurements show a clear twin peak distribution in the temporal profile of electron emission. The first peak has almost the same duration as the laser pulse while the second lasts for several microseconds. The prompt electrons are energetic enough ('60 eV) to ionize the ambient gas molecules or atoms. The use of prompt electron pulses as sources for electron impact excitation is demonstrated by taking nitrogen, carbon dioxide, and argon as ambient gases.

Time evolution of the electron density and temperature in laser-produced plasmas from YBa2Cu3O7

Laser radiation at 1.06 µm from a pulsed Nd:YAG laser was focused onto a multielement YBa2Cu3O7 target in vacuum and the plasma thus generated was studied using time-resolved spectroscopic techniques. Line broadening of the Ba I emission line at 553.5 nm was monitored as a function of time elapsed after the incidence of a laser pulse on the target. Measured line profiles of barium species were used to infer the electron density and temperature, and the time evolution of these important plasma parameters has been worked out.

Laser induced thermal lens and near infrared absorption studies of ch overtones in some organic compounds

Vibrational overtone spectroscopy of X-H (X=C,N,O) containing molecules is an area of recent interest. The spectroscopic studies of higher vibrational levels yield valuable informations, regarding,the molecular structure, intra- and inter-molecular interactions, radiationless transitions, intra-molecular vibrational relaxations, multiphoton excitations and chemical reactivities, which cannot be z obtained by other spectroscopic methods. This thesis presents the results of experimental investigations on the overtone spectra of some organic compounds in the liquid phase for the characterization of CH bonds. The spectra in the fifth overtone region (1fiV=6) are recorded using a dual beam thermal lens setup and the lower overtones (.AV=2-5) are recorded spectrophotometrically.The thesis is presented in six chapters.