Oblique amplitude modulation of dust-acoustic plasma waves

Theoretical and numerical studies are presented of the nonlinear amplitude modulation of dust-acoustic (DA) waves propagating in an unmagnetized three component, weakly-coupled, fully ionized plasma consisting of electrons, positive ions and charged dust particles, considering perturbations oblique to the carrier wave propagation direction. The stability analysis, based on a nonlinear Schrodinger-type equation (NLSE), shows that the wave may become unstable; the stability criteria depend on the angle theta between the modulation and propagation directions. Explicit expressions for the instability rate and threshold have been obtained in terms of the dispersion laws of the system. The possibility and conditions for the existence of different types of localized excitations have also been discussed.

Ion-acoustic waves in a two-electron-temperatute plasma: oblique modulation and envelope excitations

Theoretical and numerical studies are carried out for the nonlinear amplitude modulation of ion-acoustic waves propagating in an unmagnetized, collisionless, three-component plasma composed of inertial positive ions moving in a background of two thermalized electron populations. Perturbations oblique to the carrier wave propagation direction have been considered. The stability analysis, based on a nonlinear Schrodinger-type equation, shows that the wave may become unstable; the stability criteria depend on the angle theta between the modulation and propagation directions. Different types of localized excitations (envelope solitary waves) are shown to exist in qualitative agreement with satellite observations in the magnetosphere.

Nonlinear Lagrangian theory of envelope electrostatic plasma waves in a two-electron-temperature plasma

An analytical model based on Lagrangian variables is presented for the description of ion-acoustic waves propagating in an unmagnetized, collisionless, three-component plasma composed of inertial positive ions and two thermalized electron populations, characterized by different temperatures. The wave's amplitude is shown to be modulationally unstable. Different types of localized envelope electrostatic excitations are shown to exist, and their forms are analytically and numerically investigated in terms of the plasma dispersion and nonlinearity laws. These results are in qualitative agreement with satellite observations in the magnetosphere. (C) 2004 American Institute of Physics.

Solitary and blow-up electrostatic excitations in rotating magnetized electron-positron-ion plasmas

The nonlinear dynamics of a rotating magnetoplasma consisting of electrons, positrons and stationary positive ions is considered. The basic set of hydrodynamic and Poisson equations are reduced to a Zakharov-Kuznetsov (ZK) equation for the electric potential. The ZK equation is solved by applying an improved modified extended tanh-function method (2008 Phys. Lett. A 372 5691) and its characteristics are investigated. A set of new solutions are derived, including localized solitary waves, periodic nonlinear waveforms and divergent (explosive) pulses. The characteristics of these nonlinear excitations are investigated in detail.

Asymptotic modeling of short plane-parallel high-pressure glow discharge

Here a self-consistent continuum model is presented for a narrow gap plane-parallel dc glow discharge. The set of governing equations consisting of continuity and momentum equations for positive ions, fast (emitted by the cathode) and slow electrons (generated by fast electron impact ionization) coupled with Poisson's equation is treated by the technique of matched asymptotic expansions. Explicit results are obtained in the asymptotic limit: (chi delta) much less than 1, where chi = e Phi(a)/kT, delta = (r(D)/L)(2) (Phi(a) is the applied voltage, r(D) is the Debye radius) and pL much greater than 1(Hg mm cm), where p is the gas pressure and L is the gap length. In the case of high pressure, the electron energy relaxation length is much smaller than the gap length, and so the local field approximation is valid. The discharge space divides naturally into a cathode fall sheath, a quasineutral plasma region, and an anode fall sheath. The electric potential distribution obtained for each region in a (semi)analytical form is asymptotically matched to the adjoining regions in the region of overlap. The effects of the gas pressure, gap length, and applied voltage on the length of each region are investigated. (C) 2000 American Institute of Physics. [S1070-664X(00)01302-1].

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.

Analyse des processus de dérive lors de la gravure profonde du silicium dans des plasmas SF6 et C4F8

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer des outils de diagnostics non-invasifs et de caractériser in-situ les dérives de procédé dans un réacteur industriel utilisé en production pour la gravure profonde du silicium par le procédé Bosch. Ce dernier repose sur l’alternance d’un plasma de SF6 pour la gravure isotrope du Si et d’un plasma de C4F8 pour la passivation des parois dans l’optique d’obtenir des tranchées profondes et étroites. Dans un premier temps, nous avons installé une sonde courant-tension sur la ligne de transmission du signal rf au porte-substrat pour l’étude de son impédance caractéristique et un spectromètre optique pour l’étude de l’émission optique du plasma. Nos travaux ont montré que l’évolution temporelle de l’impédance constitue un excellent moyen pour identifier des changements dans la dynamique du procédé, notamment une gravure complète de la photorésine. De plus, à partir des spectres d’émission, nous avons pu montrer que des produits carbonés sont libérés du substrat et des parois lors de l’alternance passivation/gravure et que ceux-ci modifient considérablement la concentration de fluor atomique dans le plasma. Dans un second temps, nous avons développé un réacteur à « substrat-tournant » pour l’analyse in-situ des interactions plasma-parois dans le procédé Bosch. Nos travaux sur ce réacteur visaient à caractériser par spectrométrie de masse l’évolution temporelle des populations de neutres réactifs et d’ions positifs. Dans les conditions opératoires étudiées, le SF6 se dissocie à près de 45% alors que le degré de dissociation du C4F8 atteint 70%. Le SF6 est avant tout dissocié en F et SF3 et l’ion dominant est le SF3+ alors que le C4F8 est fragmenté en CF, CF3 et CF4 et nous mesurons plusieurs ions significatifs. Dans les deux cas, la chaîne de dissociation demeure loin d’être complète. Nous avons noté une désorption importante des parois de CF4 lors du passage du cycle de passivation au cycle de gravure. Un modèle d’interactions plasmas-parois est proposé pour expliquer cette observation.

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.

Anomalous dependence on the diffusion coefficients of the ionic relaxation time in electrolytes

We show, by using a numerical analysis, that the dynamic toward equilibrium for an electrolytic cell subject to a step-like external electric field is a multirelaxation process when the diffusion coefficients of positive and negative ions are different. By assuming that the diffusion coefficient of positive ions is constant, we observe that the number of involved relaxation processes increases when the diffusion coefficient of the negative ions diminishes. Furthermore, two of the relaxation times depend nonmonotonically on the ratio of the diffusion coefficients. This result is unexpected, because the ionic drift velocity, by means of which the ions move to reach the equilibrium distribution, increases with increasing ionic mobility.

New Relativistic Atomic Natural Orbital Basis Sets for Lanthanide Atoms with Applications to the Ce Diatom and LuF3

New basis sets of the atomic natural orbital (ANO) type have been developed for the lanthanide atoms La-Lu. The ANOs have been obtained from the average density matrix of the ground and lowest excited states of the atom, the positive ions, and the atom in an electric field. Scalar relativistic effects are included through the use of a Douglas-Kroll-Hess Hamiltonian. Multiconfigurational wave functions have been used with dynamic correlation included using second-order perturbation theory (CASSCF/CASPT2). The basis sets are applied in calculations of ionization energies and some excitation energies. Computed ionization energies have an accuracy better than 0.1 eV in most cases. Two molecular applications are inluded as illustration: the cerium diatom and the LuF3 molecule. In both cases it is shown that 4f orbitals are not involved in the chemical bond in contrast to an earlier claim for the latter molecule.

Study of superficial properties of titanium treated by PIIID

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The substitution of cations by magnesium in the structure K3Ho(VO4)2

The cation substitutions in the crystal lattice of binary potassium-holmium vanadate (V) K3Ho(VO4)2 by magnesium have been studied using various types of chemical solid state reactions. It was shown that in the presence of the quasi-ternary system K3VO4-Mg3(VO4)2-HoVO 4 at 700°C there a compound defined as K3Ho(VO4)2 with a narrow homogeneity range where K and Ho are partially substituted by Mg in accordance with various schemes. © 1998 Published by Elsevier Science S.A.

Preparation of 9.5/65/35 PLZT powders by organic precursor method

In this study the preparation of 9.5/65/35 PLZT ceramic powders were investigated. The powders with the formula Pb0.905La0.095(Zr0.65 Ti0.35)0.976O3 + 3.5 w% PbO were prepared using Pechini process and partial oxalate method. The powder phase formation, powder morphology, and green density of PLZT were shown.

Enhanced frequency upconversion in Er3+ doped fluoroindate glass due to energy transfer from Tm3+

Energy transfer processes between Er3+ and Tm3+ were investigated examining the frequency upconversion emissions in a fluoroindate glass pumped at 790 nm. A 60-fold enhancement in the emission at ≈670 nm originating from Er3+ was observed when Tm3+ at concentration of 2% was introduced in a sample containing 2% of Er3+. The results are explained considering the influence of cross-relaxation processes between the active ions. © 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Influence of oxygen atmosphere on LiNbO3 thin films prepared by Pechini process

Thin films of lithium niobate were deposited on the Pt/Ti/SiO2 (111) substrates by the polymeric precursor method (Pechini process). Annealing in static air and oxygen atmosphere was performed at 500°C for 3 hours. The films obtained were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The dielectric constant, dissipation factor and resistance were measured in frequency region from 10 Hz to 10 MHz. Electrical characterizations of the films pointed to ferroelectricity via hysteresis loop. The influence of oxygen atmosphere on crystallization and properties of LiNbO3 thin films is discussed.