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.

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.

Experimental investigation of plasma micro-instabilities in crossed magnetic and AC electric fields. Contract no. AF19(628)-5832, Project no. 5635, Task no. 563504, Work Unit no. 56350401.

"AFCRL-68-0044."

Modélisation en bandes C et X de la rétrodiffusion de couverts de neige sèche : évaluation de l’apport de l’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses.

La compréhension et la modélisation de l’interaction de l’onde électromagnétique avec la neige sont très importantes pour l’application des technologies radars à des domaines tels que l’hydrologie et la climatologie. En plus de dépendre des propriétés de la neige, le signal radar mesuré dépendra aussi des caractéristiques du capteur et du sol. La compréhension et la quantification des différents processus de diffusion du signal dans un couvert nival s’effectuent à travers les théories de diffusions de l’onde électromagnétique. La neige, dans certaines conditions, peut être considérée comme un milieu dense lorsque les particules de glace qui la composent y occupent une fraction volumique considérable. Dans un tel milieu, les processus de diffusion par les particules ne se font plus de façon indépendante, mais de façon cohérente. L’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses est une des théories élaborées afin de prendre en compte ces processus de diffusions cohérents. Son apport a été démontré dans de nombreuses études pour des fréquences > 10 GHz où l’épaisseur optique de la neige est importante et où la diffusion de volume est prédominante. Par contre, les capteurs satellitaires radar présentement disponibles utilisent les bandes L (1-2GHz), C (4-8GHz) et X (8-12GHz), à des fréquences principalement en deçà des 10 GHz. L’objectif de la présente étude est d’évaluer l’apport du modèle de diffusion issu de l’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses (QCA/DMRT) dans la modélisation de couverts de neige sèches en bandes C et X. L’approche utilisée consiste à comparer la modélisation de couverts de neige sèches sous QCA/DMRT à la modélisation indépendante sous l’approximation de Rayleigh. La zone d’étude consiste en deux sites localisés sur des milieux agricoles, près de Lévis au Québec. Au total 9 champs sont échantillonnés sur les deux sites afin d’effectuer la modélisation. Dans un premier temps, une analyse comparative des paramètres du transfert radiatif entre les deux modèles de diffusion a été effectuée. Pour des paramètres de cohésion inférieurs à 0,15 à des fractions volumiques entre 0,1 et 0,3, le modèle QCA/DMRT présentait des différences par rapport à Rayleigh. Un coefficient de cohésion optimal a ensuite été déterminé pour la modélisation d’un couvert nival en bandes C et X. L’optimisation de ce paramètre a permis de conclure qu’un paramètre de cohésion de 0,1 était optimal pour notre jeu de données. Cette très faible valeur de paramètre de cohésion entraîne une augmentation des coefficients de diffusion et d’extinction pour QCA/DMRT ainsi que des différences avec les paramètres de Rayleigh. Puis, une analyse de l’influence des caractéristiques du couvert nival sur les différentes contributions du signal est réalisée pour les 2 bandes C et X. En bande C, le modèle de Rayleigh permettait de considérer la neige comme étant transparente au signal à des angles d’incidence inférieurs à 35°. Vu l’augmentation de l’extinction du signal sous QCA/DMRT, le signal en provenance du sol est atténué d’au moins 5% sur l’ensemble des angles d’incidence, à de faibles fractions volumiques et fortes tailles de grains de neige, nous empêchant ainsi de considérer la transparence de la neige au signal micro-onde sous QCA/DMRT en bande C. En bande X, l’augmentation significative des coefficients de diffusion par rapport à la bande C, ne nous permet plus d’ignorer l’extinction du signal. La part occupée par la rétrodiffusion de volume peut dans certaines conditions, devenir la part prépondérante dans la rétrodiffusion totale. Pour terminer, les résultats de la modélisation de couverts de neige sous QCA/DMRT sont validés à l’aide de données RADARSAT-2 et TerraSAR-X. Les deux modèles présentaient des rétrodiffusions totales semblables qui concordaient bien avec les données RADARSAT-2 et TerraSAR-X. Pour RADARSAT-2, le RMSE du modèle QCA/DMRT est de 2,52 dB en HH et 2,92 dB en VV et pour Rayleigh il est de 2,64 dB en HH et 3,01 dB en VV. Pour ce qui est de TerraSAR-X, le RMSE du modèle QCA/DMRT allait de 1,88 dB en HH à 2,32 dB en VV et de 2,20 dB en HH à 2,71 dB en VV pour Rayleigh. Les valeurs de rétrodiffusion totales des deux modèles sont assez similaires. Par contre, les principales différences entre les deux modèles sont bien évidentes dans la répartition des différentes contributions de cette rétrodiffusion totale.

Multifunctional three-dimensional T-junction graphene micro-wells: Energy-efficient, plasma-enabled growth and instant water-based transfer for flexible device applications

The “third-generation” 3D graphene structures, T-junction graphene micro-wells (T-GMWs) are produced on cheap polycrystalline Cu foils in a single-step, low-temperature (270 °C), energy-efficient, and environment-friendly dry plasma-enabled process. T-GMWs comprise vertical graphene (VG) petal-like sheets that seemlessly integrate with each other and the underlying horizontal graphene sheets by forming T-junctions. The microwells have the pico-to-femto-liter storage capacity and precipitate compartmentalized PBS crystals. The T-GMW films are transferred from the Cu substrates, without damage to the both, in de-ionized or tap water, at room temperature, and without commonly used sacrificial materials or hazardous chemicals. The Cu substrates are then re-used to produce similar-quality T-GMWs after a simple plasma conditioning. The isolated T-GMW films are transferred to diverse substrates and devices and show remarkable recovery of their electrical, optical, and hazardous NO2 gas sensing properties upon repeated bending (down to 1 mm radius) and release of flexible trasparent display plastic substrates. The plasma-enabled mechanism of T-GMW isolation in water is proposed and supported by the Cu plasma surface modification analysis. Our GMWs are suitable for various optoelectronic, sesning, energy, and biomedical applications while the growth approach is potentially scalable for future pilot-scale industrial production.

Formation and structure of composite coating of HDA and micro-plasma oxidation on A3 steel

Composite coatings were obtained on A3 steel by hot dipping aluminum(HDA) at 720 ℃ for 6 min and micro-plasma oxidation(MPO) in alkali electrolyte. The surface morphology, element distribution and interface structure of composite coatings were studied by means of XRD, SEM and EDS. The results show that the composite coatings obtained through HDA/MPO on A3 steel consist of four layers. From the surface to the substrate, the layer is loose Al2O3 ceramic, compact Al2O3 ceramic, Al and FeAl intermetallic compound layer in turn. The adhesions among all the layers are strengthened because the ceramic layer formed at the Al surface originally, FeAl intermetallic compound layer and substrate are combined in metallurgical form through mutual diffusion during HDA process.Initial experiment results disclose that the anti-corrosion performance and wear resistance of composite coating are obviously improved through HDA/MPO treatment.

Formation and Structure of Composite Coating of HAD and Micro-Plasma Oxidation on A3 Steel

Composite coatings were obtained on A3 steel by hot dipping aluminum(HAD) at 720 degreesC for 6 min and micro-plasma oxidation (MPO) in alkali electrolyte. The surface morphology, element distribution and interface structure of composite coatings were studied by means of XRD, SEM and EDS. The results show that the composite coatings obtained through HAD/MPO on A3 steel consist of four layers. From the surface to the substrate, the layer is loose Al2O3 ceramic, compact Al2O3 ceramic, At and FeAl intermetallic compound layer in turn. The adhesions among all the layers are strengthened because the ceramic layer formed at the At surface originally, FeAl intermetallic compound layer and substrate are combined in metallurgical form through mutual diffusion during HAD process. Initial experiment results disclose that the anti-corrosion performance and wear resistance of composite coating are obviously improved through HAD/MPO treatment.

Evaluation and application of micro-sampling system for inductively coupled plasma mass spectrometry

Two Meinhard microconcentric nebulizers, model AR30-07-FM02 and AR 30-07-FM005, were employed as a self-installed micro-sampling system for inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS). The FM02 nebulizer at 22 muL/min of solution uptake rate gave the relative standard deviations of 7.6%, 3.0%, 2.7%, 1.8% for determinations (n = 10) of 20 mug/L Be, Co, In and Bi, respectively, and the detection limits (3s) of 0.14, 0.10, 0.02 and 0.01 mug/L for Be, Co In and Bi, respectively. The mass intensity of In-115 obtained by this micro-sampling system was 60% of that by conventional pneumatic nebulizer system at 1.3 mL/min. The analytical results for La, Ce, Pr and Nd in 20 muL Wistar rat amniotic fluid obtained by the present micro-sampling system were precisely in good agreement with those obtained using conventional pneumatic nebulization system.

Spatially resolved diagnostics on a micro atmospheric pressure plasma jet

Despite enormous potential for technological applications, fundamentals of stable non-equilibrium micro-plasmas at ambient pressure are still only partly understood. Micro-plasma jets are one sub-group of these plasma sources. For an understanding it is particularly important to analyse transport phenomena of energy and particles within and between the core and effluent of the discharge. The complexity of the problem requires the combination and correlation of various highly sophisticated diagnostics yielding different information with an extremely high temporal and spatial resolution. A specially designed rf microscale atmospheric pressure plasma jet (µ-APPJ) provides excellent access for optical diagnostics to the discharge volume and the effluent region. This allows detailed investigations of the discharge dynamics and energy transport mechanisms from the discharge to the effluent. Here we present examples for diagnostics applicable to different regions and combine the results. The diagnostics applied are optical emission spectroscopy (OES) in the visible and ultraviolet and two-photon absorption laser-induced fluorescence spectroscopy. By the latter spatially resolved absolutely calibrated density maps of atomic oxygen have been determined for the effluent. OES yields an insight into energy transport mechanisms from the core into the effluent. The first results of spatially and phase-resolved OES measurements of the discharge dynamics of the core are presented.

Absolute Atomic Oxygen Density Distributions in the Effluent of a Micro Scale Atmospheric Pressure Plasma Jet

The coplanar microscale atmospheric pressure plasma jet (µ-APPJ) is a capacitively coupled radio frequency discharge (13.56 MHz, ~15W rf power) designed for optimized optical diagnostic access. It is operated in a homogeneous glow mode with a noble gas flow (1.4 slm He) containing a small admixture of molecular oxygen (~0.5%). Ground state atomic oxygen densities in the effluent up to 2 × 1014 cm-3 are measured by two-photon absorption laser-induced fluorescence spectroscopy (TALIF) providing space resolved density maps. The quantitative calibration of the TALIF setup is performed by comparative measurements with xenon. A maximum of the atomic oxygen density is observed for 0.6% molecular oxygen admixture. Furthermore, an increase in the rf power up to about 15W (depending on gas flow and mixture) leads to an increase in the effluent’s atomic oxygen density, then reaching a constant level for higher powers.

Diagnostic-based modeling on a micro-scale atmospheric-pressure plasma jet

Diagnostic-based modeling (DBM) actively combines complementary advantages of numerical plasma simulations and relatively simple optical emission spectroscopy (OES). DBM is applied to determine spatial absolute atomic oxygen ground-state density profiles in a micro atmospheric-pressure plasma jet operated in He–O2. A 1D fluid model with semi-kinetic treatment of the electrons yields detailed information on the electron dynamics and the corresponding spatio-temporal electron energy distribution function. Benchmarking this time- and space-resolved simulation with phase-resolved OES (PROES) allows subsequent derivation of effective excitation rates as the basis for DBM. The population dynamics of the upper O(3p3P) oxygen state (? = 844 nm) is governed by direct electron impact excitation, dissociative excitation, radiation losses, and collisional induced quenching. Absolute values for atomic oxygen densities are obtained through tracer comparison with the upper Ar(2p1) state (? = 750.4 nm). The resulting spatial profile for the absolute atomic oxygen density shows an excellent quantitative agreement to a density profile obtained by two-photon absorption laser-induced fluorescence spectroscopy.

Atomic oxygen formation in a radio-frequency driven micro-atmospheric pressure plasma jet

Atomic oxygen formation in a radio-frequency driven micro-atmospheric pressure plasma jet is investigated using both advanced optical diagnostics and numerical simulations of the dynamic plasma chemistry. Laser spectroscopic measurements of absolute densities of ground state atomic oxygen reveal steep gradients at the interface between the plasma core and the effluent region. Spatial profiles resolving the interelectrode gap within the core plasma indicate that volume processes dominate over surface reactions. Details of the production and destruction processes are investigated in numerical simulations benchmarked by phase-resolved optical emission spectroscopy. The main production mechanisms are electron induced and hence most efficient in the vicinity of the plasma boundary sheath, where electrons are energized. The destruction is driven through chemical heavy particle reactions. The resulting spatial profile of atomic oxygen is relatively flat. The power dependence of the atomic oxygen density obtained by the numerical simulation is in very good agreement with the laser spectroscopic measurements.