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.

Analyse par spectrométrie de masse des antibiotiques vétérinaires liés à l’élevage porcin

L’élevage des porcs représente une source importante de déversement d’antibiotiques dans l’environnement par l’intermédiaire de l’épandage du lisier qui contient une grande quantité de ces molécules sur les champs agricoles. Il a été prouvé que ces molécules biologiquement actives peuvent avoir un impact toxique sur l’écosystème. Par ailleurs, elles sont aussi suspectées d’engendrer des problèmes sanitaires et de contribuer à la résistance bactérienne pouvant mener à des infections difficilement traitables chez les humains. Le contrôle de ces substances dans l’environnement est donc nécessaire. De nombreuses méthodes analytiques sont proposées dans la littérature scientifique pour recenser ces composés dans plusieurs types de matrice. Cependant, peu de ces méthodes permettent l’analyse de ces contaminants dans des matrices issues de l’élevage agricole intensif. Par ailleurs, les méthodes analytiques disponibles sont souvent sujettes à des faux positifs compte tenu de la complexité des matrices étudiées et du matériel utilisé et ne prennent souvent pas en compte les métabolites et produits de dégradation. Enfin, les niveaux d’analyse atteints avec ces méthodes ne sont parfois plus à jour étant donné l’évolution de la chimie analytique et de la spectrométrie de masse. Dans cette optique, de nouvelles méthodes d’analyses ont été développées pour rechercher et quantifier les antibiotiques dans des matrices dérivées de l’élevage intensif des porcs en essayant de proposer des approches alternatives sensibles, sélectives et robustes pour quantifier ces molécules. Une première méthode d’analyse basée sur une technique d’introduction d’échantillon alternative à l’aide d’une interface fonctionnant à l’aide d’une désorption thermique par diode laser munie d’une source à ionisation à pression atmosphérique, couplée à la spectrométrie de masse en tandem a été développée. L’objectif est de proposer une analyse plus rapide tout en atteignant des niveaux de concentration adaptés à la matrice étudiée. Cette technique d’analyse couplée à un traitement d’échantillon efficace a permis l’analyse de plusieurs antibiotiques vétérinaires de différentes classes dans des échantillons de lisier avec des temps d’analyse courts. Les limites de détection atteintes sont comprises entre 2,5 et 8,3 µg kg-1 et sont comparables avec celles pouvant être obtenues avec la chromatographie liquide dans une matrice similaire. En vue d’analyser simultanément une série de tétracyclines, une deuxième méthode d’analyse utilisant la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) a été proposée. L’utilisation de la HRMS a été motivée par le fait que cette technique d’analyse est moins sensible aux faux positifs que le triple quadripôle traditionnel. Des limites de détection comprises entre 1,5 et 3,6 µg kg-1 ont été atteintes dans des échantillons de lisier en utilisant un mode d’analyse par fragmentation. L’utilisation de méthodes de quantifications ciblées est une démarche intéressante lorsque la présence de contaminants est suspectée dans un échantillon. Toutefois, les contaminants non intégrés à cette méthode d’analyse ciblée ne peuvent être détectés même à de fortes concentrations. Dans ce contexte, une méthode d’analyse non ciblée a été développée pour la recherche de pharmaceutiques vétérinaires dans des effluents agricoles en utilisant la spectrométrie de masse à haute résolution et une cartouche SPE polymérique polyvalente. Cette méthode a permis l’identification d’antibiotiques et de pharmaceutiques couramment utilisés dans l’élevage porcin. La plupart des méthodes d’analyse disponibles dans la littérature se concentrent sur l’analyse des composés parents, mais pas sur les sous-produits de dégradation. L’approche utilisée dans la deuxième méthode d’analyse a donc été étendue et appliquée à d’autres classes d’antibiotiques pour mesurer les concentrations de plusieurs résidus d’antibiotiques dans les sols et les eaux de drainage d’un champ agricole expérimental. Les sols du champ renfermaient un mélange d’antibiotiques ainsi que leurs produits de dégradation relatifs à des concentrations mesurées jusqu’à 1020 µg kg-1. Une partie de ces composés ont voyagé par l’intermédiaire des eaux de drainage du champ ou des concentrations pouvant atteindre 3200 ng L-1 ont pu être relevées.

Photosensitivity of Laser Dye Mixtures in Polymer Matrix – A Photoacoustic Study

Laser induced photoacoustic (PA) technique is used in the study of photostability of polymethyl methacrylate (PMMA) films doped with Rhodamine 6G -Rhodamine B dye system. Energy transfer from a donor molecule to an acceptor molecule in a dye mixture affects the output of the dye system. Details of investigations on the role of laser power, modulation frequency and the irradiation wavelength on the photosensitivity of the dye mixture doped PMMA films are presented.

Characterisation of Transparent Conducting Thin Films Grown by Pulsed Laser Deposition and RF Magnetron Sputtering

Materials exhibiting transparency and electrical conductivity simultaneously, transparent conductors, Transparent conducting oxides (TCOs), which have high transparency through the visible spectrum and high electrical conductivity are already being used in numerous applications. Low-emission windows that allow visible light through while reflecting the infrared, this keeps the heat out in summer, or the heat in, in winter. A thin conducting layer on or in between the glass panes achieves this. Low-emission windows use mostly F-doped SnO2. Most of these TCO’s are n type semiconductors and are utilized in a variety of commercial applications, such as flat-panel displays, photovoltaic devices, and electrochromic windows, in which they serve as transparent electrodes. Novel functions may be integrated into the materials since oxides have a variety of elements and crystal structures, providing great potential for realizing a diverse range of active functions. However, the application of TCOs has been restricted to transparent electrodes, notwithstanding the fact that TCOs are n-type semiconductors. The primary reason is the lack of p-type TCOs, because many of the active functions in semiconductors originate from the nature of the pn-junction. In 1997, H. Kawazoe et al.[2] reported CuAlO2 thin films as a first p-type TCO along with a chemical design concept for the exploration of other p-type TCOs.

Growth and Characterization of ZnO based Heterojunction diodes and ZnO Nanostructuresby Pulsed Laser Ablation

Transparent conducting oxides (TCO’s) have been known and used for technologically important applications for more than 50 years. The oxide materials such as In2O3, SnO2 and impurity doped SnO2: Sb, SnO2: F and In2O3: Sn (indium tin oxide) were primarily used as TCO’s. Indium based oxides had been widely used as TCO’s for the past few decades. But the current increase in the cost of indium and scarcity of this material created the difficulty in obtaining low cost TCO’s. Hence the search for alternative TCO material has been a topic of active research for the last few decades. This resulted in the development of various binary and ternary compounds. But the advantages of using binary oxides are the easiness to control the composition and deposition parameters. ZnO has been identified as the one of the promising candidate for transparent electronic applications owing to its exciting optoelectronic properties. Some optoelectronics applications of ZnO overlap with that of GaN, another wide band gap semiconductor which is widely used for the production of green, blue-violet and white light emitting devices. However ZnO has some advantages over GaN among which are the availability of fairly high quality ZnO bulk single crystals and large excitonic binding energy. ZnO also has much simpler crystal-growth technology, resulting in a potentially lower cost for ZnO based devices. Most of the TCO’s are n-type semiconductors and are utilized as transparent electrodes in variety of commercial applications such as photovoltaics, electrochromic windows, flat panel displays. TCO’s provide a great potential for realizing diverse range of active functions, novel functions can be integrated into the materials according to the requirement. However the application of TCO’s has been restricted to transparent electrodes, ii notwithstanding the fact that TCO’s are n-type semiconductors. The basic reason is the lack of p-type TCO, many of the active functions in semiconductor originate from the nature of pn-junction. In 1997, H. Kawazoe et al reported the CuAlO2 as the first p-type TCO along with the chemical design concept for the exploration of other p-type TCO’s. This has led to the fabrication of all transparent diode and transistors. Fabrication of nanostructures of TCO has been a focus of an ever-increasing number of researchers world wide, mainly due to their unique optical and electronic properties which makes them ideal for a wide spectrum of applications ranging from flexible displays, quantum well lasers to in vivo biological imaging and therapeutic agents. ZnO is a highly multifunctional material system with highly promising application potential for UV light emitting diodes, diode lasers, sensors, etc. ZnO nanocrystals and nanorods doped with transition metal impurities have also attracted great interest, recently, for their spin-electronic applications This thesis summarizes the results on the growth and characterization of ZnO based diodes and nanostructures by pulsed laser ablation. Various ZnO based heterojunction diodes have been fabricated using pulsed laser deposition (PLD) and their electrical characteristics were interpreted using existing models. Pulsed laser ablation has been employed to fabricate ZnO quantum dots, ZnO nanorods and ZnMgO/ZnO multiple quantum well structures with the aim of studying the luminescent properties.

Laser Induced Fluorescence Based Optical Fiber Probe for Analyzing Bacteria

Optical fiber based laser induced fluorescence (LIF) measurements were carried out using Rhodamine B to analyze two different species of bacteria , a Gram-positive bacteria namely Bacillus smithii , and fibrin alginolvticus, a Gram- negative bacteria . The fiber sensor was clearly able to distinguish between the two species of bacteria . Quenching effect of the dye Rhodamine B by Bacillus smithii was observed . The effect of dye on the samples was also studied in detail.

Luminescence from Surfactant-Free ZnO Quantum Dots Prepared by Laser Ablation in Liquid

Highly transparent, luminescent and biocompatible ZnO quantum dots were prepared in water, methanol, and ethanol using liquid-phase pulsed laser ablation technique without using any surfactant. Transmission electron microscopy analysis confirmed the formation of good crystalline ZnO quantum dots with a uniform size distribution of 7 nm. The emission wavelength could be varied by varying the native defect chemistry of ZnO quantum dots and the laser fluence. Highly luminescent nontoxic ZnO quantum dots have exciting application potential as florescent probes in biomedical applications.

Electrical Characteristics of n-ZnO/p-Si Heterojunction Diodes Grown by Pulsed Laser Deposition at Different Oxygen Pressures

Heterojunction diodes of n-type ZnO/p-type silicon (100) were fabricated by 12 pulsed laser deposition of ZnO films on p-Si substrates in oxygen ambient at 13 different pressures. These heterojunctions were found to be rectifying with a 14 maximum forward-to-reverse current ratio of about 1,000 in the applied 15 voltage range of -5 V to +5 V. The turn-on voltage of the heterojunctions was 16 found to depend on the ambient oxygen pressure during the growth of the ZnO 17 film. The current density–voltage characteristics and the variation of the 18 series resistance of the n-ZnO/p-Si heterojunctions were found to be in line 19 with the Anderson model and Burstein-Moss (BM) shift.

Electrical and Optical Properties of Znga2o4 Thin Films Deposited By Pulsed Laser Deposition

ZnGa2O4 spinel is a promising new UV transparent electronic conductor. Enhancing the electrical conductivity of this potential oxide phosphor can make it a promising transparent conducting oxide. In this paper, we have investigated the effects of processing and doping on the conductivity of semiconducting ZnGa2O4, particularly thin films. Crystalline zinc gallate thin films have been deposited on fused quartz substrates employing the pulsed laser deposition (PLD) technique at room temperature for an oxygen partial pressure of 0.1 Pa (0.001mbar). The films were found to be UV transparent, the band gap of which shifted to 4.75eV on hydrogen annealing. The band gap of the oxygen stoichiometric bulk powder samples (4.55eV) determined from diffuse reflection spectrum (DRS) shifted to 4.81eV on reduction in a hydrogen atmosphere. The electrical conductivity improved when Sn was incorporated into the ZnGa2O4 spinel. The conductivity of ZnGa2O4:Sn thin films was further improved on reduction.

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.