Phonon spectra and temperature variation of thermodynamic properties of fcc metals via Finnis-Sinclair type many body potentials: Sutton-Chen and improved Sutton-Chen models

Volume(density)-independent pair-potentials cannot describe metallic cohesion adequately as the presence of the free electron gas renders the total energy strongly dependent on the electron density. The embedded atom method (EAM) addresses this issue by replacing part of the total energy with an explicitly density-dependent term called the embedding function. Finnis and Sinclair proposed a model where the embedding function is taken to be proportional to the square root of the electron density. Models of this type are known as Finnis-Sinclair many body potentials. In this work we study a particular parametrization of the Finnis-Sinclair type potential, called the "Sutton-Chen" model, and a later version, called the "Quantum Sutton-Chen" model, to study the phonon spectra and the temperature variation thermodynamic properties of fcc metals. Both models give poor results for thermal expansion, which can be traced to rapid softening of transverse phonon frequencies with increasing lattice parameter. We identify the power law decay of the electron density with distance assumed by the model as the main cause of this behaviour and show that an exponentially decaying form of charge density improves the results significantly. Results for Sutton-Chen and our improved version of Sutton-Chen models are compared for four fcc metals: Cu, Ag, Au and Pt. The calculated properties are the phonon spectra, thermal expansion coefficient, isobaric heat capacity, adiabatic and isothermal bulk moduli, atomic root-mean-square displacement and Gr\"{u}neisen parameter. For the sake of comparison we have also considered two other models where the distance-dependence of the charge density is an exponential multiplied by polynomials. None of these models exhibits the instability against thermal expansion (premature melting) as shown by the Sutton-Chen model. We also present results obtained via pure pair potential models, in order to identify advantages and disadvantages of methods used to obtain the parameters of these potentials.

Étude critique de la densité électronique et des températures (excitation et ionisation) d'un plasma d'aluminium induit par laser

La caractérisation de matériaux par spectroscopie optique d’émission d’un plasma induit par laser (LIPS) suscite un intérêt qui ne va que s’amplifiant, et dont les applications se multiplient. L’objectif de ce mémoire est de vérifier l’influence du choix des raies spectrales sur certaines mesures du plasma, soit la densité électronique et la température d’excitation des atomes neutres et ionisés une fois, ainsi que la température d’ionisation. Nos mesures sont intégrées spatialement et résolues temporellement, ce qui est typique des conditions opératoires du LIPS, et nous avons utilisé pour nos travaux des cibles binaires d’aluminium contenant des éléments à l’état de trace (Al-Fe et Al-Mg). Premièrement, nous avons mesuré la densité électronique à l’aide de l’élargissement Stark de raies de plusieurs espèces (Al II, Fe II, Mg II, Fe I, Mg I, Halpha). Nous avons observé que les densités absolues avaient un comportement temporel différent en fonction de l’espèce. Les raies ioniques donnent des densités électroniques systématiquement plus élevées (jusqu’à 50 % à 200 ns après l’allumage du plasma), et décroissent plus rapidement que les densités issues des raies neutres. Par ailleurs, les densités obtenues par les éléments traces Fe et Mg sont moindres que les densités obtenues par l’observation de la raie communément utilisée Al II à 281,618 nm. Nous avons parallèlement étudié la densité électronique déterminée à l’aide de la raie de l’hydrogène Halpha, et la densité électronique ainsi obtenue a un comportement temporel similaire à celle obtenue par la raie Al II à 281,618 nm. Les deux espèces partagent probablement la même distribution spatiale à l’intérieur du plasma. Finalement, nous avons mesuré la température d’excitation du fer (neutre et ionisé, à l’état de trace dans nos cibles), ainsi que la température d’ionisation, à l’aide de diagrammes de Boltzmann et de Saha-Boltzmann, respectivement. À l’instar de travaux antérieurs (Barthélémy et al., 2005), il nous est apparu que les différentes températures convergeaient vers une température unique (considérant nos incertitudes) après 2-3 microsecondes. Les différentes températures mesurées de 0 à 2 microsecondes ne se recoupent pas, ce qui pourrait s’expliquer soit par un écart à l’équilibre thermodynamique local, soit en considérant un plasma inhomogène où la distribution des éléments dans la plume n’est pas similaire d’un élément à l’autre, les espèces énergétiques se retrouvant au cœur du plasma, plus chaud, alors que les espèces de moindre énergie se retrouvant principalement en périphérie.

Étude des artefacts en tomodensitométrie par simulation Monte Carlo

En radiothérapie, la tomodensitométrie (CT) fournit l’information anatomique du patient utile au calcul de dose durant la planification de traitement. Afin de considérer la composition hétérogène des tissus, des techniques de calcul telles que la méthode Monte Carlo sont nécessaires pour calculer la dose de manière exacte. L’importation des images CT dans un tel calcul exige que chaque voxel exprimé en unité Hounsfield (HU) soit converti en une valeur physique telle que la densité électronique (ED). Cette conversion est habituellement effectuée à l’aide d’une courbe d’étalonnage HU-ED. Une anomalie ou artefact qui apparaît dans une image CT avant l’étalonnage est susceptible d’assigner un mauvais tissu à un voxel. Ces erreurs peuvent causer une perte cruciale de fiabilité du calcul de dose. Ce travail vise à attribuer une valeur exacte aux voxels d’images CT afin d’assurer la fiabilité des calculs de dose durant la planification de traitement en radiothérapie. Pour y parvenir, une étude est réalisée sur les artefacts qui sont reproduits par simulation Monte Carlo. Pour réduire le temps de calcul, les simulations sont parallélisées et transposées sur un superordinateur. Une étude de sensibilité des nombres HU en présence d’artefacts est ensuite réalisée par une analyse statistique des histogrammes. À l’origine de nombreux artefacts, le durcissement de faisceau est étudié davantage. Une revue sur l’état de l’art en matière de correction du durcissement de faisceau est présentée suivi d’une démonstration explicite d’une correction empirique.

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.

Méthode efficace d'assignation de tissus humains par tomodensitométrie à double énergie

Pour analyser les images en tomodensitométrie, une méthode stœchiométrique est gé- néralement utilisée. Une courbe relie les unités Hounsfield d’une image à la densité électronique du milieu. La tomodensitométrie à double énergie permet d’obtenir des informations supplémentaires sur ces images. Une méthode stœchiométrique a été dé- veloppée pour permettre de déterminer les valeurs de densité électronique et de numéro atomique effectif à partir d’une paire d’images d’un tomodensitomètre à double énergie. Le but de cette recherche est de développer une nouvelle méthode d’identification de tissus en utilisant ces paramètres extraits en tomodensitométrie à double énergie. Cette nouvelle méthode est comparée avec la méthode standard de tomodensitométrie à simple énergie. Par ailleurs, l’impact dosimétrique de bien identifier un tissu est déterminé. Des simulations Monte Carlo permettent d’utiliser des fantômes numériques dont tous les paramètres sont connus. Les différents fantômes utilisés permettent d’étalonner les méthodes stœchiométriques, de comparer la polyvalence et la robustesse des méthodes d’identification de tissus double énergie et simple énergie, ainsi que de comparer les distributions de dose dans des fantômes uniformes de mêmes densités, mais de compo- sitions différentes. La méthode utilisant la tomodensitométrie à double énergie fournit des valeurs de densi- tés électroniques plus exactes, quelles que soient les conditions étudiées. Cette méthode s’avère également plus robuste aux variations de densité des tissus. L’impact dosimé- trique d’une bonne identification de tissus devient important pour des traitements aux énergies plus faibles, donc aux énergies d’imagerie et de curiethérapie.

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.

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.

Optical emission spectroscopic studies on laser ablated zinc oxide plasma

Optical emission spectroscopic studies were carried out on the plasma produced by ablation of zinc oxide target using the third harmonic 355 nm of Q-switched Nd:YAG laser, in vacuum and at three different ambient gas oxygen pressures. The spatial variations of electron density Ne and electron temperature Te were studied up to a distance of 20 mm from the target surface. The kinematics of the emitted particles and the expansion of the plume edge are discussed. The optimum conditions favorable for the formation of high quality zinc oxide thin films are thereby suggested.

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.

Preparation and Properties of Iodine-Doped Radiopaque Natural Rubber

Polymers exhibit low electron density and they are radiolucent. Polymers can be made radiopaque by different techniques. We report a method for the preparation of radiopaque material from natural rubber (NR). NR in its latex form was iodinated. Iodinated natural rubber (INR) was characterized by using UV, thermo gravimetric analysis (TGA), and X-ray images. INR was compounded at high and low temperatures and its physical properties were measured. The low temperature cured samples show good radiopacity and conductivity. The optical density of low temperature cured samples was measured.

Time resolved study of CN band emission from plasma generated by laser irradiation of graphite

Time and space resolved studies of emission from CN molecules have been carried out in the plasma produced from graphite target by 1.06 urn pulses from a Q-switched Nd:YAG laser. Depending on the laser pulse energy, time of observation and position of the sampled volume of the plasma, the features of the emission spectrum are found to change drastically. The vibrational temperature and population distribution in the different vibrational levels have been studied as functions of distance, time, laser energy and ambient gas pressure. Evidence for nonlinear effects of the plasma medium such as self focusing which exhibits threshold-like behaviour are also obtained. Temperature and electron density of the plasma have been evaluated using the relative line intensities of successive ionization stages of carbon atom. These electron density measurements are verified by using Stark broadening method.

Electronic structure and properties of Cu2O

The structural and electronic properties of Cu2O have been investigated using the periodic Hartree-Fock method and a posteriori density-functional corrections. The lattice parameter, bulk modulus, and elastic constants have been calculated. The electronic structure of and bonding in Cu2O are analyzed and compared with x-ray photoelectron spectroscopy spectra, showing a good agreement for the valence-band states. To check the quality of the calculated electron density, static structure factors and Compton profiles have been calculated, showing a good agreement with the available experimental data. The effective electron and hole masses have been evaluated for Cu2O at the center of the Brillouin zone. The calculated interaction energy between the two interpenetrated frameworks in the cuprite structure is estimated to be around -6.0 kcal/mol per Cu2O formula. The bonding between the two independent frameworks has been analyzed using a bimolecular model and the results indicate an important role of d10-d10 type interactions between copper atoms.

Rigorous characterization of oxygen vacancies in ionic oxides

Charged and neutral oxygen vacancies in the bulk and on perfect and defective surfaces of MgO are characterized as quantum-mechanical subsystems chemically bonded to the host lattice and containing most of the charge left by the removed oxygens. Attractors of the electron density appear inside the vacancy, a necessary condition for the existence of a subsystem according to the atoms in molecules theory. The analysis of the electron localization function also shows attractors at the vacancy sites, which are associated to a localization basin shared with the valence domain of the nearest oxygens. This polyatomic superanion exhibits chemical trends guided by the formal charge and the coordination of the vacancy. The topological approach is shown to be essential to understand and predict the nature and chemical reactivity of these objects. There is not a vacancy but a coreless pseudoanion that behaves as an activated host oxygen.

Hyperfine structure and isotopic shift of the n^2 P_J levels (n = 7-10) of ^203,205 TI measured by Doppler-free two-photon spectroscopy

Using Doppler-free two-photon absorption spectroscopy, we have measured hyperfine splitting constants as well as isotopic level shifts of the 6s^2 np ^2 P_l/2,3/2 states in (n=7-10) in ^203 TI and ^205 TI. Calculations for hyperfine constants and electron density at the nucleus have been performed by the Dirac-Fock method. The experimental results are compared with these calculations as well as with the predictions of the semiempirical theory.

Algorisme d'optimització global de les mesures de semblança quàntica molecular

Les Mesures de Semblança Quàntica Molecular (MSQM) requereixen la maximització del solapament de les densitats electròniques de les molècules que es comparen. En aquest treball es presenta un algorisme de maximització de les MSQM, que és global en el límit de densitats electròniques deformades a funcions deltes de Dirac. A partir d'aquest algorisme se'n deriva l'equivalent per a densitats no deformades