Transcript Recueil des résumés Colloque de Plasma-Québec - Plasma

REGROUPEMENT STRATÉGIQUE EN SCIENCE ET APPLICATIONS DES PLASMAS
Colloque de Plasma-Québec
Évolution— Révolution
4 au 6 juin 2014, Montréal
Recueil des résumés
Liste des auteurs
Achard, J. .............................8.1
Ahmmed, K.M.T. .....................6.5
Al Makdessi, G. .......................3.2
Ali, J. ...................................7.6
Alnaser, A. S. .........................5.3
Antici, P. ...............................5.5
Aubert, X. .............................8.1
Azaña, J. ...............................6.4
Baloukas, B. ...........................3.17
Barberio, M. ...........................3.10
Barthe, M.F. ...........................4.3
Bastien, S. .............................8.5
Baude, R. ..............................8.3
Beaulieu, S. ...........................5.3
Belmonte, T. ..........................7.2
Bergthorson, J. .......................3.9
Berk, D. ................................7.7
Bisson, J.F. ............................7.16
Bodeux, R. .............................7.13
Boivin, R. ..............................10.1
Bongiovanni, D. .......................7.4
Bonnaud, G. ...........................5.1
Booth, J.P. ............................4.1
Boudreau, M. ..........................2.4, 3.4, 5.2, 7.16
Boulos, M. .............................1.1
Bouzid, F. ..............................3.12
Braescu, L. ............................8.6
Braidy, N. ..............................8.5
Brault, P. ..............................4.3
Brinza, O. ..............................8.1
Bruggeman, P. ........................6.1
Brunet, P. ..............................3.3, 7.15
Caillard, A. ............................4.3
Carvou, E. .............................8.4
Cavalho, T. ............................7.14
Chaber, P. .............................4.1
Chaker M. ..............................2.2, 3.3, 3.5, 3.6,
3.11, 3.13, 6.4,
7.8, 7.15, 9.1, 9.4
Chen, Z. ................................7.4, 7.10
Clergereaux, R. .......................3.2
Clerici, M. .............................7.1, 7.6, 7.11
Corbellini, L. ..........................7.3
Côté, C. ................................3.16
Coulombe S. ...........................3.9, 7.12
Courvoisier, F. ........................3.7
Daghrir, R. ............................ 4.2
Dawood, M. ........................... 7.9
De Crescenzo, G. .................... 3.8
De Matos, J.B. ........................ 7.15
Delegan, N. ........................... 4.2
Delprat, S. ............................ 6.4, 9.4
Deng, Y. ............................... 5.3
Derkaoui, N. .......................... 8.1
Desgardin, P. ......................... 4.3
Despax, B. ............................ 4.4
Drogui, P. .............................. 4.2
Dubowski, J.J. ....................... 3.15
Dudley, J.M. .......................... 3.7
Duluard, C. ........................... 8.1
Dupras, G. ............................ 7.11
Durocher-Jean, A. ................... 3.14
El Khakani M.A. ...................... 4.2, 7.5, 8.2, 9.3
Émond, N. ............................. 3.5, 9.1
Evans, M.D.G. ........................ 3.9
Fareed, M.A. .......................... 2.4, 3.4, 5.2, 7.16
Farhanian , D. ........................ 3.8
Fesharaki, F. .......................... 9.4
Foucher, M. ........................... 4.1
Fourmaux, S. .......................... 5.5
Fricke, K. ............................. 2.1
Gaboriau, F. ........................... 8.3
Gagnon, H. ............................ 2.1
Gangwar, R.K. ........................ 7.14, 9.2
Gautier, L.A. ......................... 7.5, 9.3
Ghanbaja, J. .......................... 7.2
Gherardi, N. .......................... 7.17
Gicquel, A. ............................ 8.1
Girard-Lauriault, P.L. ............... 2.1, 7.12
Gonfa, B. .............................. 8.2
Liste des auteurs
Haddad, É. .............................9.1
Hagelaar, G.J.M. .....................8.3
Hajlaoui, T. ...........................7.13
Hallin, E. ...............................5.5
Hamann, S. ............................8.1
Hamdan, A. ............................2.5, 7.2
Hassen, W.M. ..........................3.15
Hassouni, K. ...........................8.1
Hendaoui, A. ..........................3.3,3.5, 7.15, 9.1
Ho, S.P. ................................7.6
Hossain, N. ............................3.11, 6.4, 9.4
Hu, Y. ..................................7.4, 7.10
Huang, W. .............................7.8
Huang, X. ..............................3.15
Humayun, K. ..........................3.13
Ibrahim, H. ............................5.3
Ionascut Nedelcescu, A...............3.1
Jorge, L. ...............................7.12
Josse, M. ...............................7.13
Ka, I. ....................................8.2
Kafrouni, W. ...........................2.2
Kashyap, R. ............................7.10
Kieffer, J.-C. ...........................5.5
Kietzig, A.M. ..........................6.5
Kirkpatrick, M.J. ......................6.2
Klemberg-Sapieha, J.E. .............3.17
Krol, A. .................................5.5
Lacoste, D.A. ..........................6.2
Lacourt, P.A. ..........................3.7
Lacroix, C. .............................7.3
Lapierre-Leonard, M. ................3.1
Laroche, G. ............................3.14
Laux, C.O. .............................6.2
Laverdière, J. .........................3.13
Le Borgne V. ..........................7.5, 8.2, 9.3
Le Drogoff, B. .........................6.4
Le Garrec, J.L. ........................8.4
Lecas, T. ...............................4.3
Lee Choi, E. ...........................8.4
Légaré, F. ..............................5.3
Legrand, U. ............................7.7
Levasseur, O. .........................7.17
Li, S. ....................................7.8
Ling, E.J.Y. ............................6.5
Litvinyuk, I.V. .........................5.3
Liu, N. ..................................3.15
Lombardi, G. ..........................8.1
Long, P. ................................6.4
Loquai, S. ..............................3.17
Ma, D. .................................. 8.2
Maaloul, L. .............................. 7.14
MacLean, S. ............................ 5.5
Makasheva, K. ......................... 4.4
Margot J. ............................... 2.5, 3.2, 3.11, 7.9,
9.4
Martinu, L. ............................. 3.17
Massines, F. ............................ 7.15
Matte, J.P. ............................. 5.4
Mazhorova, A. ......................... 7.1, 7.6, 7.11
Ménard, D. ............................. 7.3
Mendoza González, N.Y. ............. 7.7
Mesquida, T. ........................... 7.12
Meunier J.-L. ........................... 7.7
Michau, D. ............................. 7.13
Mitchell, J.B. .......................... 8.4
Modotto, D. ............................ 7.11
Mondal, S. .............................. 2.4, 3.4, 5.2, 7.16
Moisan M. .............................. 6.3
Morandotti. R. ......................... 7.1, 7.4, 7.6,
7.10, 7.11
Moumanis, K. .......................... 3.15
Naccache, R. .......................... 7.1
Nechache, R. .......................... 3.13, 7.8
Noël, C. ................................ 7.2
Nouar, R. ............................... 3.16
Nowakowska, H. ...................... 6.3
Odic, E. ................................ 6.2
Ostrikov, K. ........................... 1.2
Ozaki, T. .............................. 2.4, 3.4, 5.2, 7.16
Ozturk, Y. ............................. 7.6
Parent, E. ............................. 3.1
Pascone P. ............................ 7.7
Pasquazi, A. .......................... 7.6
Peccianti, M. ......................... 7.6
Pentecoste, L. ........................ 4.3
Pertot, Y. ............................. 2.4, 3.4, 5.2
Pignolet, A. ........................... 7.3, 7.13, 8.6
Pipa, A. ................................ 8.1
Plathier, J. ............................ 7.3
Porter, R. ............................. 3.16
Prégent, J. ............................ 2.3
Profili, J. .............................. 7.17
Razzari, L. ............................ 7.1
Ricolleau, C. .......................... 8.5
Rincon, R. ............................. 3.3, 7.15
Roepcke, J. ........................... 8.1
Rond, C. ............................... 8.1
Rosei, F. ............................... 3.13, 7.8
Roy-Garofano, V. .................... 4.4, 7.14
Ruediger, A. .......................... 3.16
Liste des auteurs
Said Bacar, Z. ........................
Sainct, F.P. ...........................
Saraf, A. ..............................
Sarkissian A. ..........................
Schmidt, B. ............................
Schmitt, T. ...........................
Shalaby, M. ...........................
Shoucri, M. ...........................
Silva, F. ...............................
Stafford L.
3.16
6.2
5.5
3.16
5.3
3.17
7.6
5.4
8.1
2.3, 3.14, 4.4, 7.14
7.17, 9.2
Wabnitz, S. ........................... 7.10
Wanie, V. ............................. 5.3
Wartel, M. ............................ 8.1
Weltmann, K.-D. ..................... 2.1
Wertheimer M.R. .................... 2.1
Wetzel, B. ............................. 3.7
Wolfe, S. .............................. 3.16
Wu, K. ................................. 9.4
Tallaire, A. ...........................
Tavares, J.R. .........................
Tehranchi, A. ........................
Thiré, N. ..............................
Thomann, A.L. .......................
Thomas, R. ...........................
Torriss, B. .............................
8.1
3.8
7.10
5.3
4.3
3.16
3.6
Yaakobi, O. ........................... 7.11
Vandsburger, L. ......................
Vetrone, F. ...........................
Vidal F. ................................
Vigne, S. ..............................
Vinchon, P. ...........................
2.3
7.1, 7.6
3.12, 5.4, 8.6, 7.11
2.2, 3.11, 9.4
6.4
Xie, C. ................................. 3.7
Xu, F. .................................. 3.10
Zabeida, O. ........................... 3.17
La technologie des plasmas inductifs
De l’échelle laboratoire à l’exploitation industriel
Maher Boulos
Directeur de Technologie (CTO), Tekna Systèmes plasma Inc.
Professeur Émérite, Université de Sherbrooke.
Le développement d’une nouvelle technologie à l’échelle industrielle offre de grands
défis tant au niveau scientifique que technologique. Un résumé du parcours suivi pour le
développement de la technologie des plasmas inductifs de l’échelle laboratoire à
l’échelle industrielle sera présenté. Ceci a exigé;





Études des phénomènes fondamentaux qui jouent un rôle dans la conception de
la torche à plasma inductif et les éléments et qui permettent la mise à l’échelle
pour une opération à haute puissance.
Études physico-chimique de développement des procédés.
Conception des réacteurs et leur mode d’opérations.
Développements de diagnostic des procédés en cours et leur mode de contrôle.
Étude techno-économique des produits fabriqués et de leur positionnement sur
les marches internationales.
From one extreme to another: non-equilibrium responses to non-equilibrium
plasmas from nanotechnology to health care
Kostya (Ken) Ostrikov
Plasma Nanoscience Center Australia (PNCA), CSIRO Materials Science and Engineering,
P. O. Box 218, Lindfield NSW 2070, Australia. E-mail: [email protected]
This presentation introduces several examples of the effects of non-equilibrium, to some extent
“extreme” conditions of low-temperature plasmas on the formation and processing of advanced
nanomaterials [1,2] on one hand and on the responses of living cells to the plasma exposure on the other
[3,4]. The plasma-produced or functionalized nano-materials considered are aimed at next-generation
energy, sensing, environmental and several other applications that are of critical importance to the
sustainable future of humankind. Plasma-specific effects that lead to these interesting properties and
superior performance in the envisaged applications are discussed. This presentation explains why
low-temperature plasmas represent a unique way of producing and arranging a variety of atomic, radical,
cluster, etc. building units into a variety of nanoscale objects. It also discusses the effects of
atmospheric-pressure plasma treatments on a variety of living cells and tissues and explores some
relevant mechanisms that lead to the specific responses. The examples include effective apoptotic
pathways of killing various cancer cells, inactivation of various microorganisms and biofilms, as well as
agitation of stem cells to achieve selective differentiation. The nanotechnology-related examples mostly
include (but are not limited to) plasma-produced or functionalized nano-carbon materials that are aimed
at next-generation in energy, sensing, environmental and several other applications that are of critical
importance to the sustainable future of humankind. Plasma-specific effects that lead to these interesting
properties and superior performance in the envisaged applications are examined and where possible are
related to the non-equilibrium, to some extent “extreme” properties of the plasmas.
References
[1] K. Ostrikov, Rev. Mod. Phys. 77 (2005) 489.
[2] K. Ostrikov, E. C. Neyts, M. Meyyappan, Advances in Physics 62 (2013) 113.
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[4] Z. Xiong, S. Zhao, X. Mao, X. Lu, G. He, G. Yang, M. Chen, M. Ishaq, K. Ostrikov, Stem Cell
Research 12 (2014) 387.
DEPOSITION AND CHARACTERIZATION OF ATMOSPHERIC
PRESSURE PLASMA POLYMERIZED HYDROCARBON COATINGS
Katja Fricke1,2, Hervé Gagnon2, Pierre-Luc Girard-Lauriault3, Klaus-Dieter Weltmann1,
Michael R. Wertheimer2
1
Leibniz Institute for Plasma Science and Technology (INP Greifswald e.V.),
Felix-Hausdorff-Str. 2, 17489 Greifswald, Germany
2
Department of Engineering Physics, École Polytechnique de Montréal, Box 6079,
Station Centre-Ville, Montreal, QC H3C 3A7, Canada
3
Plasma Processing Laboratory, Department of Chemical Engineering,
McGill University, Montreal, QC H3A 2B2, Canada
Plasma-coating technologies operating at atmospheric pressure have evolved
considerably in recent years, based on stringent demands for maintenance- and vacuumfree operating conditions; indeed, they have become indispensable among key plasmabased surface engineering technologies [1]. Along with plasma jets, dielectric barrier
discharges (DBD) are now routinely used for surface modification and thin film
deposition [2]. In particular, the DBD apparatus employed in the present study has amply
demonstrated its utility, both for surface modification of polymers and for depositing
nitrogen-rich plasma polymer films [3, 4].
In this contribution we present results on the deposition of hydrocarbon films in the
same DBD system, but fed with mixtures of argon plus different hydrocarbon precursors.
The choice of the latter is based on their various carbon-to-hydrogen ratios: methane
(CH4) < ethane (C2H6) < ethylene (C2H4) < acetylene (C2H2). The DBD apparatus used
here has been described earlier [3,4], but minor changes have been made in applied
frequency and power settings, so as to guarantee stable, arc-free discharges. The influence
of precursor gas mixture and -flow, excitation frequency and absorbed power have been
investigated in order to clarify the role of the discharge mode on deposited plasma
polymer film compositions and properties. The discharge itself was characterized by
electrical measurements, while the chemical compositions of resulting coatings were
analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy and total combustion (CHN) analysis, the
latter for determining carbon/hydrogen ratios, as earlier reported by Girard-Lauriault et
al. for nitrogen-rich coatings [4]. Scanning electron microscopy was used to determine
the coatings’ morphology, and profilometry for evaluating deposition rates.
[1] G. Da Ponte, E. Sardella, F. Fanelli, R. d'Agostino, P. Favia, Eur. Phys. J.-Appl.
Phys, 56 (2): 1-4, 2011.
[2] F. Massines, C. Sarra-Bournet, F. Fanelli, N. Naude, N. Gherardi, Plasma Process.
Polym., 9 (11-12): 1041-1073, 2012.
[3] S. Guimond, I. Radu, G. Czeremuszkin, D. Carlsson, M. Wertheimer, Plasmas
Polym. , 7 (1): 71-88, 2002.
[4] P. L. Girard-Lauriault, P. Desjardins, W. E. S. Unger, A. Lippitz, M. R. Wertheimer,
Plasma Process. Polym., 5 (7): 631-644, 2008.
Epitaxial growth of ZnO thin films on MgO (200) by sputtering
Wassim Kafrouni, Sébastien Vigne, Mohamed Chaker
Institut National de Recherche Scientifique, Centre Énergie Matériaux Télécommunications 1650, boulevard LionelBoulet, Varennes Québec J3X 1S2 Canada
Zinc oxide (ZnO) is a semiconductor compound of the II–VI family which has a direct band gap
(3.37 eV at RT) in the ultraviolet (UV) range, and crystallizes preferentially in the hexagonal
Wurtzite structure. ZnO is a multifunctional material with promising optical, piezoelectric
properties that can be exploited in a wide range of applications. Several techniques were used to
grow high-quality ZnO films, which mostly resulted in a preferred c-axis orientation. ZnO-based
devices grown along the polar c-axis direction on a c-plane are subjected to the polarization
effect induced by built-in electric fields (~1 MV/cm) attributed to Wurtzite structures. The builtin electric fields not only cause the redshift of the fundamental optical transition but also reduce
the internal quantum efficiencies of ZnO quantum devices. Previous studies showed that it is
possible to prevent the undesirable electrostatic field in ZnO devices through the heteroepitaxial
growth of non-polar plane ZnO, such as m-plane (10-10). However, the epitaxial growth of ZnO
(1 0 -1 0) on MgO (1 0 0) by sputtering is not reported in the literature. In the present paper, we
present an extensive study the growth of ZnO on MgO (100) substrate as function of plasma
parameters, such as the plasma power and the substrate deposition temperature. XRD
measurements on ZnO thin films show that through an appropriate choice of the plasma
parameters, it is possible to growth epitaxial non-polar ZnO (10-10) films, epitaxial polar ZnO
(0002) films and films with the coexistence of both (10-10) and (0002) directions. Second
harmonic generation (SHG) microscopy was carried out, by investigating SHG polarisation
dependence around the film normal, this technique has proven to be sensitive for obtaining
information about the structure, electronic and piezoelectric properties of materials. No SH
signal contribution from MgO substrate and from epitaxial ZnO (0002) was found. ZnO (10-10)
epitaxial film shows SH signal in all the polarisation directions with 4 maximum intensities at 0⁰,
90⁰, 180⁰ and 270⁰. These signals derived from the contribution of 2 c-axis distanced of about ±
15⁰ from each maximum signal position.
A Combined Physical‐Chemical Study of the Hydrophilization Effect of Plasma Treatment on Hardwood Surfaces Leron Vandsburger1, Julien Prégent1, Luc Stafford1 1 Département de physique, Université de Montréal, 2900, boul. Édouard‐Montpetit. H3T 1J4, Montréal QC, Canada Email: [email protected] Recent focus on the dramatic impact of various types of plasma treatment on wood surfaces has produced a considerable development in techniques for wood hydrophilization. While these studies have been successful in advancing our technological capability, for the most part the underlying physical and chemical causes of hydrophilization remain undetermined. It has always been clear that the plasma itself is responsible, but the subtle interactions between the diverse species produced in plasmas and the highly complex and heterogeneous wood substrates make comprehensive descriptions of the system exceedingly difficult. For the first time, a careful examination has been made of the paired plasma‐wood surface system. The effort has involved characterizing the effects of plasma treatment on wood surfaces chemically and analysing the plasma by physical modelling, to provide insight into the species responsible for the observed changes. Rather than focussing on a single plasma system, the role of plasma generated species was investigated experimentally by using both atmospheric and low pressure plasma sources. Wood samples were treated in the flowing afterglows of both a DBD and microwave discharge, with the plasma properties being carefully controlled. In this way, the presence of specific plasma species could be selected, such as ozone, which is produced in plasmas by collisional processes, or atomic oxygen, which is consumed by collisional processes. Plasma‐hydrophilization of wood surfaces was confirmed by dynamic water contact angle measurements, and plasma species populations were determined using rotational‐vibrational models, fitted to optical emission spectroscopy (OES) data. The combination of OES data with FTIR and XPS spectra strongly implicated the involvement of oxidation and oxygen scavenging in the hydrophilization phenomenon. This, correlated to existing techniques for wet chemical modification of wood, directed our attention to atomic oxygen and ozone as likely agents in this system. Nitrogen metastable species were also predicted to be produced at high concentrations, as well as N2+ and N4+ ions. The role of these long‐lived species was found to be an activation of the wood surface by measurement of surface radical concentrations accumulated during low pressure plasma treatments in pure N2. In this way, the plasma lacked the oxygen species found in other systems, thereby allowing the effect of the nitrogen species to be isolated. Radical concentrations were found by measuring samples following late‐afterglow exposure using a 6×10‐5 M solution of diphenylpicrylhydrazyl (DPPH) in methanol. Direct exposure of wood samples to ozone, without the presence of a plasma, reproduced the hydrophilization effect, but to a lesser extent. This helps to demonstrate that the combined presence of all the plasma species is responsible for the dramatic changes in wood surfaces, rather than a single chemical reaction, such as ozone delignification or reactive plasma etching. High-order harmonics from magnetically confined plasmas
S. Mondal, M. A. Fareed, Y. Pertot, M. Boudreau and T. Ozaki
Institut national de la recherche scientifique – Centre Energie, Matériaux et Telécommunications, 1650 Lionel-Boulet, Varennes, Québec J3X
1S2, Canada
Author e-mail address: [email protected]
High-order harmonic generation (HHG) from gaseous medium has been found to be an efficient method to generate
coherent extreme ultraviolet (XUV) radiation [1,2], which holds the promise to open new frontiers in science, such
as the control of electronic motion in an atom real time [3]. These pulses will also enable us to extend nonlinear
optics and time-resolved spectroscopy to the XUV region, and will push ultrafast science to the attosecond
domain [4–8]. However, attosecond pulses generated by this technique do not have sufficient energy to perform
such experiments. The conversion efficiency of the generated XUV pulses is very low [9]. Several attempts have
been made to improve the conversion efficiency, such as by improving phase matching in gas filled capillary [10]
and using seeding cell [11]. Still, extensive work is required to further improve the conversion efficiency of the
XUV pulses to enable it for practical use. High-order harmonics generated from lowly ionized ablated plasmas has
been found to be more efficient and stable method compared with those from gaseous medium [12–15]. Resonance
enhancement of the harmonics from lowly ionized plasmas produces more intense harmonics [16,17]. Generation of
multi-µJ energy in a single harmonic is possible using this method [18].
In this study, we attempt to further improve high-order harmonic efficiency generated from ablated plasmas by
applying an external transverse magnetic field. We first generate and confine plasmas in a transverse external
magnetic field of strength 0.35T, and then generate harmonics from the confined plasmas. The elements selected for
this purpose are indium (Z=49), magnesium (Z=12) and graphite. HHG spectra from magnesium plasmas contain
only non-resonant harmonics, whereas HHG spectra from indium plasmas contain an intense resonant induced
harmonic (13th harmonic) as well as other non-resonant harmonics. The mechanism of intense harmonic generation
from graphite plasmas is not still completely understood, but it appears that harmonics are generated here are from
carbon clusters. It is observed that applying external magnetic field increases the high-order harmonic yield for all
three cases. For magnesium, indium and graphite, the enhancement is roughly 1.5, 2.4 and 1.5 times, respectively.
References:
[1]
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T. S. Rose, M. J. Rosker, and A. H. Zewail, J. Chem. Phys. 88, 6672 (1988).
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P. Corkum and F. Krausz, Nat. Phys. 381 (2007).
Z. Chang and P. Corkum, JOSA B (2010).
T. Ozaki, R. Ganeev, M. Suzuki, and H. Kuroda, (2010).
T. Popmintchev, M.-C. Chen, A. Bahabad, M. Gerrity, P. Sidorenko, O. Cohen, I. P. Christov, M. M. Murnane, and H.
C. Kapteyn, Proc. Natl. Acad. Sci. 106 , 10516 (2009).
F. Brizuela, C. M. Heyl, P. Rudawski, D. Kroon, L. Rading, J. M. Dahlström, J. Mauritsson, P. Johnsson, C. L. Arnold,
and A. L’Huillier, Sci. Rep. 3, 1410 (2013).
R. A. Ganeev, High-Order Harmonic Generation in Laser Plasma Plumes (World Scientific, 2013).
C. Hutchison, R. a Ganeev, T. Witting, F. Frank, W. A. Okell, J. W. G. Tisch, and J. P. Marangos, Opt. Lett. 37, 2064
(2012).
R. A. Ganeev, J. Phys. B At. Mol. Opt. Phys. 40, R213 (2007).
R. Ganeev, M. Suzuki, M. Baba, and H. Kuroda, Phys. Rev. A 76, 023805 (2007).
R. A. Ganeev, Open Spectrosc. J. 3, 1 (2009).
R. A. Ganeev, L. B. E. Bom, J.-C. Kieffer, and T. Ozaki, Phys. Rev. A 75, 63806 (2007).
L. B. Elouga Bom, Y. Pertot, V. R. Bhardwaj, and T. Ozaki, Opt. Express 19, 3077 (2011).
Caractérisation d’une décharge à onde de surface dans l’hélium : évolution de
la densité des métastables et des températures.
Ahmad Hamdan * et Joëlle Margot
Groupe de physique des plasmas, Université de Montréal, C.P. 6128, succ. centre-ville, MONTREAL,
H3C 3J7, Canada
Les décharges à onde de surface ont conservé toujours une attraction importante pour la
communauté de physique des plasmas. Ce genre de dispositifs permet, entre autre, de contrôler
les propriétés de plasma (températures, densités, volume, etc.) en fonction des paramètres
expérimentaux tels la puissance, la pression, le mélange de gaz, etc.
Dans cette communication, nous présentons les résultats obtenus lors d’une décharge à
onde de surface dans l’hélium pure (99.995 %). Dans un premier temps, nous avons étudié
l’évolution de la densité des métastables en fonction de la puissance (50 – 300 W), de la pression
(5 – 50 Torr) et en fonction de l’espace (3 < z (cm) < 13). Une attention spécifique a été donnée
pour la densité des atomes d’He dans l’état métastable 23S. Pour réaliser ce diagnostic, nous
avons réalisé la spectroscopie d’absorption en utilisant une lampe spectrale à basse pression. Vu
que le niveau 23S est lié au niveau 23P par une transition à 388.9 nm, l’absorption de cette
transition par le plasma a été étudiée. Les résultats ont montré que la densité des métastables est
indépendante de la puissance et de l’espace. Par contre, une grande dépendance a été observée en
fonction de la pression. A 5 Torr la densité est maximale (~ 2×1011 cm‾3) et elle diminue –
exponentiellement – d’un ordre de grandeur lorsque la pression est de 40 Torr.
D’autre part, le gaz d’He contient quelques ppm des impuretés (H2O, N2 et O2) et
l’émission de certaines bandes moléculaires a été observée en spectroscopie d’émission optique.
Nous avons étudiés en détails l’émission de OH (A – X) à 306.4 nm, NH (A – X) à 336.0 nm et
N2+ (B – X) à 391.4 et 427.8 nm. L’ajustement de ces bandes par des spectres synthétiques donne
accès à leurs températures rotationnelles. Nous avons remarques que les valeurs de la température
rotationnelle de N2+ sont supérieures à ceux de OH et de NH. Ces dernières ont des valeurs
proches et elles ont été considérées comme une ‘bonne sonde’ pour la température de gaz Tg dans
le plasma. Enfin, l’évolution de Tg a été étudiée en fonction de la puissance, de la pression et de
l’espace.
*
[email protected]
Electrical Characterization of a Dielectric Barrier Discharge
by Using a Capacity-Based Voltage Divider
Anca Ionascut Nedelcescu, Marianne Lapierre-Leonard, Emilie Parent
Physics Department, Bishop’s University
Dielectric barrier discharges (DBDs) are known sources of cold plasma even at
atmospheric pressure. They are employed in various fields including recently the biomedical domain. Plasma properties are important in establishing new applications.
In this work the electrical properties of a parallel plates DBD conceived in laboratory are
presented by employing a voltage divider built up of capacitors in correlation with the
well known Lissajous figures. While voltage probes are commonly used to monitor
DBDs electrical characteristics, attention should be given to the bandwidth and to the
induced stray capacitances/ resistances that may alter the results.
The method presented here has the advantage that no high voltage probe is used to
determine electrical properties of the discharge, but a voltage divider built up of
capacitors. Using this voltage divider the Lissajous figures displayed on the
oscilloscope’s screen are analised. Generally, the shapes of Lissajous figures for DBDs
are that of a parallelogram with more or less well defined sides. Two opposite sides of the
parallelogram correspond to the plasma -on regime, while the two other sides
characterize the plasma - off regime. In our case the Lissajous figures have the shape of a
well defined parallelogram and its calibration is established in the plasma -off mode
where the discharge is purely capacitive, with no resistance. Neither stray resistances are
detected, fact that is confirmed by the straight line shape on the Lissajous figure.
Consequently, there is no phase shift of the voltages in the circuit, hence the voltages can
be mathematically treated as for a DC regime. The total capacity of the cell is determined
from the slope of the straight line. The experimental value is in good agreement with the
theoretical one. Furthermore the cell geometry has been modified and instead of two
dielectrics only one was used. For this configuration the theoretical value of the total
capacity becomes higher, hence a new calibration was performed. Again the total
capacity is experimentally determined and the value obtained fits well the theoretical
prediction. The agreement between the experiment and the theory for both cell
geometries indicates the validity of this method.
Finally, the total and dielectric capacities are discussed considering the plasma resistance
for plasma regime.
Correlation between nanoparticles formation and plasma
parameters evolution in magnetically confined C2H2/Ar plasma
G. Al Makdessi 1, J. Margot 1, R. Clergereaux 2.
1
Université de Montréal - Montréal (Canada), 2Université Paul Sabatier - Toulouse (France).
Dusty plasmas are plasmas containing charged nano-sized or even charged micro-sized particles.
Known for decades, dusty plasmas have attracted the interest of the scientific community in the
early 80s, especially in astrophysics when dusty particles were discovered in the rings of Saturn
[1]. Comets, planetary rings, interstellar dust and interstellar clouds are some examples of natural
objects formed by dusty plasmas [2]. Far from being limited to distant objects, dusty particles are
also found in laboratories, in plasmas used for deposition and etching of thin films. In addition,
dusty particles are present in different systems such as radio frequency capacitive discharges,
inductively coupled discharges and DC discharges when the plasma gas in chemically reactive
such as methane or acetylene. Dusty plasmas may behave as weakly coupled environment (such
as gases) or strongly coupled environment (like liquids or solids). Therefore, they can form
coulomb crystals also called plasma crystals in which aggregates of dust have spontaneously
well-organized structure [3,4]. This property can be used to create monolayer crystals and to
deposit it on the surface of materials to change their surface properties.
In this presentation, we investigate magnetically confined low pressure dusty plasmas in
acetylene. The plasma is created by an electromagnetic surface wave at a frequency of 200 MHz.
Our goal is to examine how the use of magnetic confinement allows the formation of
nanoparticles in the plasma volume. By performing a parametric study of the influence of the
magnetic field on the formation of these particles, we expect to achieve a good understanding of
their creation mechanisms, and, ultimately to control their characteristics.
Our results show that there exist specific conditions in which nanoparticles are generated. We
will present the dependence of characteristics of the deposits as a function of the plasma
parameters. In particular, we will examine the influence of the magnetic field intensity (from 0
Gauss to a few hundreds of Gauss) and its spatial distribution on the properties (structure, size
and density) of the nano and micro particles generated in the plasma volume. This will be
achieved using various materials characterization techniques, including scanning electron
microscopy and Raman scattering. The impact of other parameters on the size and density of the
synthesized particles will also be analysed. These include the degree of dilution of acetylene by a
rare gas, the power injected in the plasma and the operating pressure. In parallel, our goal is to
examine the evolution of plasma parameters in function of many parameters such as the value of
the magnetic field, the percentage of acetylene in the plasma, the nature of the mixing gas and
the pressure, in order to understand and define the species responsible for dusty particles
nucleation.
1 B.A. Smith et al. Science 215 (4532), 504 (1982)
2 C.K. Goeretz, Rev. Geophys. 27, 271 (1989)
3 H. Thomas, G.E. Morfill, V. Demmel, Phys. Rev. Lett. 73, 652 (1994)
4 H.M. Thomas, G.E. Morfill, Nature 379, 806 (1996)
OES investigation of inorganic SiO2 deposition by means of N2 AP-DBD plasmas using TEOS
as a precursor.
R. Rincon, P. Brunet, A. Hendaoui et M. Chaker
INRS-EMT
[email protected]
Atmospheric-pressure Dielectric Barrier Discharge (AP-DBD) is a process that provides nonequilibrium plasmas with high-density active species at moderate gas temperatures. AP-DBD is a very
promising technology from an industrial point of view not only because it operates at atmospheric
pressure, but also because of its low power consumption. AP-DBD applications such as surface
treatment and coatings deposition are currently being investigated. For instance, one of the most wellknown plasma sources for SiO2 coating deposition is the use of DBD with TEOS (Tetraethyl orthosilicate)
as precursor. However, this plasma technology needs to face many challenges such as the precise
control of the chemistry and structure of the layer, the deposition rate…
According to several researchers, one critical point when using an AP-DBD process is dust formation.
In fact, avoiding the insertion of carbon in the layer when a carbon-based precursor is used is a key step
to obtain homogeneous coatings. This could be done by the addition of an oxidizing gas to the main
carrier gas. However, the physics and chemistry behind this effect is still not well-understood.
In this perspective, Optical Emission Spectroscopy (OES) could be used to elucidate the correlation
between plasma emission and thin film chemistry as well as films properties. OES provides nonperturbing in-situ insight into the plasma-chemical reactions occurring in the discharge during the
deposition process. By measuring the wavelengths and intensities of the emitted spectral lines, neutral
particles and ions present in the plasma can be identified giving an idea of the plasma kinetics as well as
plasma parameters.
In this research, a study of the effect of the introduction of O2, N2O and H2O on TEOS decomposition
process using N2 AP-DBD plasmas has been carried out by means of OES. More specifically, the emission
of CN specie in N2/TEOS, N2/TEOS/O2, N2/TEOS/N2O and N2/TEOS/H2O plasmas has been studied in order
to find a relationship between plasma decomposition process and carbon concentration inserted in the
layer. The final aim of this research is present OES as a key tool for an in-situ study of the deposition of
inorganic SiO2 coatings using AP-DBDs plasmas.
Le plasma d’ablation de carbone: un mécanisme complexe de
génération d’harmoniques d’ordres élevés
Y. Pertot, S. Mondal, A. Fareed, M. Boudreau and T. Ozaki
Institut National de la Recherche Scientifique, centre Énergie, Matériaux et Télécommunications, 1650 Bd Lionel Boulet, Varennes, J3X1S2
Canada
[email protected]
La génération d’harmoniques d’ordres élevés est un moyen de produire des impulsions attosecondes dans le
domaine de l’ultraviolet extrême (XUV) donnant accès à la dynamique moléculaire. Cependant, le processus de
génération dans les gaz a une très faible efficacité, de l’ordre de 10-6. Dans l’intention de surpasser cette limite, le
groupe de T. Ozaki travaille sur une méthode impliquant un plasma d’ablation [1] comme milieu non linéaire. De
très fortes efficacités de génération y sont possibles [2-4].
Figure 1: Comparaison du spectre harmonique expérimental avec les sections efficaces de photo-ionisation du carbone atomique
et diatomique
Le travail décrit ici est focalisé sur la cible de graphite. Elle a en effet montré l’efficacité de génération la plus
élevée parmi toutes les cibles d’ablation. Cependant, le plasma produit est un mélange extrêmement complexe
d’atomes, d’ions et de molécules rendant très difficile l’identification d’un mécanisme de génération. Une analyse de
la littérature [4-5] couplée à une mesure du spectre d’émission du plasma a permis de déduire que seuls des atomes et
petites molécules étaient présents en quantités notables. En résumé, nous avons réduit les possibles émetteurs aux
particules C, C2 et C3. La figure 1 représente le spectre harmonique expérimental obtenu avec une impulsion de 1.8
μm de longueur d’onde comparé aux sections efficaces de photo-ionisation du carbone atomique et diatomique. Il
semble assez clair que le processus implique les espèces moléculaires. La littérature ne fournit malheureusement pas
les sections efficaces de photo-ionisation de la molécule C3. Des calculs sont en cours de réalisation grâce au code
ePolyscat [6-7].
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
R A Ganeev, L B Elouga Bom, and T Ozaki,. Optics and Spectroscopy, 104(2):258–268, 2008.
Y. Pertot, L. B. Elouga Bom, V. R. Bhardwaj, and T. Ozaki,. Applied Physics Letters, 98(10):101104, 2011.
L B Elouga Bom, Y Pertot, V R Bhardwaj, and T Ozaki, Optics express, 19(4):3077–85, February 2011.
Harald Jeschke, Martin Garcia, and K. Bennemann,. Physical Review Letters, 87(1):015003, June 2001.
Richard E. Russo, Alexander a. Bol’shakov, Xianglei Mao, Christopher P. McKay, Dale L. Perry, and Osman Sorkhabi. Acta Part B: Atomic
Spectroscopy, 66(2):99–104, February 2011.
[6] F. A. Gianturco, R. R. Lucchese, and N. Sanna, J. Chem. Phys. 100, 6464 (1994).
[7] A. P. P. Natalense and R. R. Lucchese, J. Chem. Phys. 111, 5344 (1999).
Caractérisation des couches minces de VO2
dans le domaine du THz
N. Émond, A. Hendaoui et M. Chaker
INRS-Énergie, Matériaux et Télécommunications, 1650 Boulevard Lionel Boulet, Varennes, Québec J3X-1S2, Canada
De récentes avancées dans le domaine THz ont permis de mettre en place des sources de
puissance plus élevée et des détecteurs plus sensibles. Celles-ci ont relancé les recherches dans
cette bande de fréquences qui est particulièrement intéressante puisque de nombreux matériaux
non-conducteurs y sont transparents. De plus, le rayonnement THz est peu énergétique, donc à
priori non-destructif. Toutes ces caractéristiques permettent d’entrevoir tout son potentiel pour
diverses applications comme la détection d’agents biologiques, l’imagerie dans les contrôles de
sécurité et de qualité de même que dans le domaine des communications sans-fil. Le dioxyde de
vanadium (VO2) est un matériau thermochromique qui subit une transition de phase d’un état
semi-conducteur à un état métallique à 68˚C. Cette transition, qu’elle soit induite optiquement,
électriquement ou thermiquement, modifie radicalement les propriétés structurales, électriques
et optiques du VO2. Ceci permet notamment d’envisager l’utilisation de ce matériau pour le
contrôle de la propagation des ondes électromagnétiques THz via la fabrication de commutateurs
et de modulateurs THz ainsi que pour la détection de ces ondes via la fabrication de
microbolomètres. L’amplitude du contraste entre les propriétés électriques et optiques du VO2 de
part et d’autre de sa transition de phase est étroitement reliée à sa composition, sa cristallinité et
sa morphologie. Ainsi, un contrôle des paramètres de dépôt utilisés lors de la synthèse du VO2 par
ablation laser peut permettre de faire varier cette amplitude et donc d’optimiser la performance
des couches minces de VO2 déposées. Dans le cadre de ce travail, l’effet de la variation de
plusieurs paramètres de dépôt a été étudié et a entre autre permis de mettre en évidence que les
paramètres de synthèse maximisant le contraste entre les propriétés électriques de part et d’autre
de la transition de phase, pour des couches minces d’environ 200 nm de VO2 polycristallin,
diffèrent de ceux qui maximisent leur modulation dans le domaine THz. Les caractéristiques
structurales et morphologiques de ces couches minces ainsi que leur corrélation avec leurs
propriétés électriques et THz seront exposées afin d’expliquer, d’une part, le phénomène observé
et, d’autre part, de décrire une approche simple permettant d’optimiser facilement les propriétés
des couches minces de VO2 en fonction de l’application visée dans le domaine THz.
Spectroscopie Terahertz des couches minces RNiO3
(R : Sm, Sm0.6Nd0.4)
Badr Torriss et Chaker Mohamed
INRS-EMT, Université du Québec, 1650 Lionel-Boulet, C. P. 1020, Varennes, Québec J3X 1S2,
Canada
Les nickelâtes de terres rares RNiO3 (R : La, …, Lu et Y) appartiennent à la famille des
pérovskites distordues d’une façon orthorhombique. Ils sont largement étudiés depuis la mise en
évidence de l’existence d’une transition électrique et magnétique pour ces matériaux. En effet,
ces composés exhibent un comportement métallique paramagnétique, isolant paramagnétique ou
isolant antiferromagnétique et ce, en fonction de la température. La température de transition
métal-isolant TMI de ces matériaux peut être contrôlée selon la nature du cation R. À titre
d’exemple, LaNiO3 préserve son état métallique quelle que soit la température, contrairement au
PrNiO3, NdNiO3, SmNiO3 et EuNiO3, qui subissent pour leur part une transition métal-isolant
(MI) à 130, 200, 400 et 460 K, respectivement. En outre, il est possible de ramener TMI autour de
l’ambiante en contrôlant la composition chimique des solutions solides de différentes nickelâtes
de terres rares, ce qui permet d’élargir l’éventail d’applications potentielles pour ces matériaux,
telles que les capteurs de gaz, les commutateurs électriques, et les transistors à effet de champ.
L’objectif principal de cette étude est de caractériser la dynamique des porteurs de charge
dans des couches de SmNiO3 (SNO) et Sm0.6Nd0.4NiO3 (SNNO) en utilisant la technique dite
« Transmission Terahertz Time Domain Spectroscopy ». Cette technique nous a permis de
calculer la fonction diélectrique et la conductivité optique. Les résultats de l’analyse de la
dynamique des porteurs de charge par plusieurs modèles théoriques, tels que le modèle de Drude,
Drude-Lorentz et Drude-Smith seront présentés.
Graphene disks fabrication using femtosecond vortex Bessel beams
B. Wetzel1,2, C. Xie1, P-A. Lacourt1, J. M. Dudley1, and F. Courvoisier1
1
Institut FEMTO-ST, UMR-6174 CNRS, 16 Route de Gray, 25030 Besançon, France
2
INRS-EMT, 1650 Boulevard Lionel Boulet, Varennes (QC) J3X 1S2, Canada
Since its original synthesis in 2004, graphene has received an increasing interest due to
its exceptional electronic and photonic properties [1]. More recently, graphene film
spatial structuring has become highly desirable to enable new properties and open the
way to applications such as complete optical absorption [2] and THz antennas [3]. Here,
we report femtosecond laser fabrication of micro/nano-disks in single layer graphene
(SLG) using spatially shaped Vortex Bessel Beams (VBB) [4] where a high intensity
annulus encloses a circular region with zero intensity. Taking advantage of both the nondiffractive nature of VBB (reducing constraint on sample positioning) and flexibility on
beam shaping (controlling annular beam radius), we present the direct imprint of versatile
circular layouts on SLG. We show that a
chosen set of illuminations with different
beam parameters allow to engineer isolated
SLG disks (as shown in Fig. 1) with
diameters ranging from 650 nm to 4 µm.
The microdisks structural quality has been
carefully
characterized
by
confocal,
scanning electron microscopy and µ-Raman
spectroscopy showing that the central SLG
disks remain unaffected after structuring.
State-of-art graphene structuring techniques
and applications will also be discussed.
Figure 1: Confocal microscopy image of
SLG structure generated using multiple
VBB exposures. Graphene layout (blue) is
compared to targeted shape (dashed lines).
References: [1] A. K. Geim, Science, 324, 1530 (2009) ; [2] S. Thongrattanasiri, et al.
Phys. Rev. Lett. 108, 047401 (2012) ; [3] P. Liu, et al. Appl. Phys. Lett. 100, 153111
(2012) ; [4] B. Wetzel, et al. Appl. Phys. Lett. 103, 241111 (2013).
Versatile Functionalization of Surfaces through PICVD – Decoupling the
Plasma from the Process
Authors: Donya Farhanian, Jason R. Tavares, Gregory De Crescenzo
Today’s concept of surface thin film deposition has been widely recognized as the most
promising methodology for the preparation of different tailor-made materials with selective
binding and functionalities. Techniques to functionalize polymeric-based surfaces have been
predominantly based on wet chemistry; however, this approach suffers from involvement of
the often toxic solvents, complex preparation and significant downstream processing to
remove leftover reagents from the treated samples. Of interest, other new methods such as
plasma and chemical vapor deposition can avoid these drawbacks. Analogous to plasmaenhanced methods, photo-initiated chemical vapor deposition (PICVD) allows for a
decoupling of the plasma source from the substrate, thus facilitating operation under
atmospheric pressure using UV-sensitive precursors. Surface treatment through PICVD
provides a convenient route for encapsulation and fabrication of chemically functionalized
surfaces both at the nano and micro scales. In this work, we report on the functional
coating of flat surfaces via a PICVD process using simple, low-cost germicidal lamps emitting
UVC radiation at 253.7 nm from a low-pressure mercury discharge. A small-scale quartz
reactor has been exploited for microchip coating (composed of silicon, copper, or steel).
Syngas (CO and H2) is exploited as a gas precursor for functional polymeric thin film
deposition. Hydrogen peroxide, having a peak absorption about 254 nm, is used in some cases
as a photoinitiator to accelerate the deposition kinetics. This allows for the tailoring of surface
wettability, from highly hydrophilic to hydrophobic. To further tailor the surface and
provide carboxylic anchoring sites for more complex functionalities, recent experiments have
focused on the incorporation of acetic acid to the precursor mix. FTIR results demonstrates
the formation of -OH stretch in 3000-3500 cm-1, C=O stretch in 1589 cm-1, C-O-H stretch in
1446 cm-1, as well as C-O stretch in1262 cm-1, functionalities which are important for
secondary attachment of proteins, cells, or drugs. These functional coated coupons could be
applicable to the functionalization of biochip sensors, gas detectors, catalysis, membrane, and
even artificial organs implants. Determination and optimization of the amounts of functional
groups towards tailored functionalization is the final goal of this study, which could lead to a
reduction of the gap between lab-based studies and industrial application, given that the focus
is on mild operating conditions and simple precursors.
Diagnostic électrique d’une source à plasma non-thermique opérant à la pression atmosphérique
soutenue par des impulsions haute tension de courte durée (ns)
Evans, M.D.G1; Bergthorson, J2; Coulombe, S1
1
2
Plasma Processing Laboratory, Départment de génie chimique, Université McGill, Montréal (QC), Canada
Alternative Fuels Laboratory, Départment de génie mécanique, Université McGill, Montréal (QC), Canada
Résumé
Les plasmas non-thermiques soutenus par décharges haute tension de courte durée (nanosecondes) reçoivent de plus en plus
d’intérêt au sein de la communauté scientifique. Cette technologie innovatrice a été utilisée notamment pour produire des
espèces réactives à pression atmosphérique [1] et améliorer l’efficacité des procédés de combustion [2]. Lors de cette séance
d’affiche, nous présenterons les mesures électriques obtenues dans la phase initiale de la décharge (0-100 ns) produite par
une impulsion haute tension (kV). Ces mesures électriques effectuées sur une telle courte durée sont d’une importance
critique puisque plus de 55% de l’énergie totale est déposée pendant les premiers 7% du temps total de l’impulsion
électrique.
Notre circuit électrique est composé d’une source de tension à courant continu, d’une banque de condensateurs et d’une
tuyère dans laquelle la décharge électrique est produite dans l’air ambiant. L’électrode à haut-voltage fait d’acier inoxydable
est centrée dans la tuyère qui est mise à la terre. La distance inter-électrode varie entre 7.35 mm et 8.65 mm dans la tuyère.
Les courbes de tension et de courant ont été obtenues avec un oscilloscope digital (5 GS/sec) avec l’aide de sondes de
courant et une sonde de tension (passive) 1000X. La dynamique temporelle du courant de la décharge électrique est
présentée sur la Figure 1(a) tandis que le courant provenant de la source de tension DC utilisée pour charger la banque de
condensateurs, est présenté sur la Figure 1(b). Le courant provenant des condensateurs, qui comprend deux pulses
d’amplitude croissante, est présenté sur la Figure 1(c).
Ces résultats nous incitent à croire que le premier pic de courant, provenant des condensateurs, alimente la décharge dans un
premier temps. Une fois les condensateurs partiellement déchargés, l’impulsion de courant provenant de la source de
tension DC soutient à son tour la décharge tout en rechargeant rapidement les condensateurs. Finalement, ces derniers se
déchargent pour une dernière fois afin de produire les valeurs maximales du courant. Ainsi, les valeurs élevées de l’énergie
déposée dans la décharge peuvent notamment être attribuées à un effet de résonance qui prend place dans le circuit
électrique. Une telle source à plasma possède plusieurs caractéristiques désirables pour certaines applications dans le
domaine de la combustion assistée par plasma.
Figure 1 – Courant total de la décharge électrique (a), de la source de tension (b) et de la banque de condensateurs (c) pour les
premières 100 nanosecondes de la décharge.
Références
[1] Rustherholtz, D. L., Lacoste, D. A., Stancu, G. D., Pai, D. Z., & Laux, C. O. 2013. Ultrafast heating and oxygen
dissociation in atmospheric pressure air by nanosecond repetitively pulsed discharges. Journal of Applied Physics D:
Applied Physics, 46.
[2] Sun, W., Won, S. H., & Ju, Y.,2014 In situ plasma activated low temperature chemistry and the S-curve transition in
DME/oxygen/helium mixture. Combustion and Flame.
Preparation and Characterization of Nanocomposites Based on Carbon Nanotubes and TiO2
Marianna Barberio and Fang Xu
Department of Biology, Ecology and Earth Science, University of Calabria, Italy
We report on the preparation and characterizations of carbon nanotubes-TiO2 (in either anatase
or rutile allotropic form) nanocomposites for applications at working electrode of Gratzel photo
electrochemical cells. The composites were prepared by mixing a bulk of TiO2 grains with different
weight percentage of carbon nanotubes (from 0.1% to 50%) and characterized with AFM and SEM
microscopies, X-ray photoelectron, photoluminescence spectroscopy, and visible optical absorbance.
For concentrations less than 2 wt.%, we observed a uniform dispersion of carbon nanotubes in a bulk of
TiO2 grains. Surface morphology analysis conducted on AFM images along with XPS results indicated
that the CNT absorption is a simple physisorption without chemical bond formations between tube and
dioxide. On the other hand, a variation of ∆φ = 0.6 eV in the optical gap was observed for micrometric
anatase and 0.1 eV for nanometric particles at a concentration of CNTs of about 1.5 wt.%.
Photoluminescence emission showed a drastic reduction and absorption in the UV range increased at
low CNT concentration for both anatase and rutile phases. The absorption in the visible range exhibited
an increase of about 60% for 2% of carbon nanotubes. Finally, the insertion of our nanocomposites in
Graetzel cells is shown to be effective in improving their conversion efficiency.
Dépôt par méthodes plasma de couches minces électro-optiques cristallines de CaxBa1-xNb2O6
1
1
2
S. Vigne , N. Hossain , J. Margot , M. Chaker
1
2
1
INRS-ÉMT
Université de Montréal
Le CaxBa1-xNb2O6 (CBN) est un matériau électro-optique (EO) qui possède un très fort coefficient EO (130
pm / V) et une température de Curie élevée (au-delà de 260 °C), ce qui en fait un candidat idéal pour
réaliser la prochaine génération de composants électro-optiques pour les télécommunications à très haut
débit. Plusieurs groupes ont déjà montré qu’il était possible de déposer épitaxialement des couches
minces de CBN sur MgO grâce à l’ablation laser (PLD). Cependant, pour la fabrication à l’échelle
industrielle de composants basés sur ce matériau, il faut disposer de couches très homogènes en
épaisseur sur de grandes surfaces, avec une très bonne qualité de surface et être capable d’intégrer cette
technologie sur le silicium (Si).
Dans cette présentation, nous étudions d’abord le dépôt de CBN sur MgO en utilisant technique de
pulvérisation magnétron radiofréquence qui permet généralement d’obtenir un très bon état de surface
et une bonne homogénéité. La proportion d’oxygène dans le plasma de pulvérisation joue un rôle
important sur la stœchiométrie de la couche mince déposée. C’est avec un mélange 95% Ar – 5% O2 que
les couches minces ont la meilleure stœchiométrie. Une cristallisation in-situ n’étant pas envisageable,
une technique de recuit rapide (RTA) a été utilisée. On montre qu’en ajustant la température de recuit à
1000°C, les couches minces se cristallisent préférentiellement suivant la direction (001). Une température
inférieure empêche une bonne cristallisation alors qu’une température plus élevée détériore sa qualité.
Des mesures par diffraction de rayons x montrent une relation d’épitaxie entre les plans (001) de la
couche et du substrat. Une analyse de la surface confirme la qualité des couches minces déposées par
pulvérisation car on observe une faible rugosité (2.8nm) et on ne voit pas de particules sur la surface.
Nous avons aussi exploré l’intégration d’une couche mince de CBN fortement orientée déposée sur un
substrat de Si via une couche tampon de MgO. Le dépôt du MgO est réalisé par PLD grâce à l’ablation
d’une cible de magnésium métallique. Afin de garantir la qualité du MgO épitaxié, l’oxyde natif est gravé
-5
avant le dépôt et l’ablation est réalisée sous une faible pression d’O2 (3.6.10 Torr). Nous avons mis en
évidence une croissance cube sur cube du MgO/Si. De plus, nous avons observé une croissance très
fortement orientée (001) du CBN sur cette couche tampon de MgO, ce qui ouvre la voie à la fabrication de
composants très fortement électro-optiques sur silicium.
Étude Préliminaire de la Génération d’Harmoniques d’Ordre Élevé
dans les Plasmas d’Indium
Feriel Bouzid et François Vidal
INRS-EMT Varennes
Le rayonnement XUV produit par génération d’harmoniques d’ordre élevé (GHE) dans
les gaz, présente des propriétés de cohérence, de courte durée d’impulsion et de
courtes longueurs d’onde. Ces caractéristiques ont été largement utilisées dans
différents domaines allant du sondage des plasmas de hautes densités (des densités de
l’ordre de 1020 /cm3), des expériences d’holographie, de l’imagerie des biomolécules et
de l’attoscience.
Néanmoins, plusieurs applications à base de sources XUV ne peuvent être réalisées avec
des harmoniques produites dans les gaz rares comme la lithographie qui nécessitent des
longueurs d’onde plus courtes. Une alternative à la GHE dans les gaz rares, est la GHE
dans les plasmas produits par laser. Cette technique permet d’augmenter l’efficacité de
conversion de l’énergie laser incidente à l’énergie des harmoniques produits. En effet, dans
le cas de la GHE dans les gaz cette efficacité de conversion ne dépasse pas ∼10-6 alors que
dans le cas de la GHE dans les plasmas elle peut atteindre jusqu’à 10-4 pour certains
éléments. De plus, les plasmas produits par ablation laser contiennent des espèces
atomiques et ioniques qui peuvent participer à la génération des harmoniques et optimiser
l’intensité des harmoniques.
Par ailleurs, il a été montré expérimentalement la présence d’harmoniques plus intenses
dans les plasmas d’indium et d’étain [1]. L’intensité particulièrement élevée de ces
harmoniques est attribuée à la résonance entre l’harmonique et une transition électronique
du plasma [2]. Cependant, ces observations restent incomprises et nécessitent un
développement théorique plus élaboré que ceux qui existent déjà pour l’interprétation des
résultats. Dans cet ordre d’idée, la modélisation de la GHE dans les plasmas devient un outil
nécessaire pour la compréhension de ce phénomène.
Dans ce travail, nous nous proposons d’exposer les bases théoriques pour l’étude de la
GHE dans les plasmas d’Indium et tenter d’expliquer par le biais d’un code numérique
de propagation, l’intensité élevée de certains harmoniques.
[1] R. A. Ganeev, M. Suzuki, M. Baba, H. Kuroda and T.Ozaki, Opt. Lett. 31, 1699 (2006)
[2] L-B Elouga-Bom, F.Bouzid, F. Vidal, J.-C. Kieffer and T. Ozaki, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 41
215401 (2008)
Growth of Bi2FeCrO6 thin film by PLD ; controlling the plasma plume.
Jonathan Laverdiere, Kabir Humayun, Riad Nechache, Federico Rosei, Mohamed Chaker
INRS-ÉMT
Pulse laser ablation deposition (PLD) is a largely used deposition technic for oxides and
complex materials thin films like the multiferroic Bi2FeCrO6. Primarily for its capacity to
transfer the stoichiometry of a given target directly to the substrate, but also for the large
amount of kinetic energy provided to the plume.
Yet, controlling the growth and the lithography of Bi2FeCrO6 is an essential issue in the
study of its ferroelectric (FE) domains for photovoltaic (PV) applications. As a FE material,
Bi2FeCrO6 has a considerably low band gap that can be tuned by its cationic ordering.
Recent studies also strongly suggest that the relation between the ferroelectric domains
and the electrodes has a dramatic impact on the PV efficiency. However, in order to study
FE domains, one must have crystal grains much larger than FE domains themselves and an
absence of holes in the deposited film to avoid current leakage. Moreover, bismuth
volatility makes it sensitive to high temperature. In this presentation, we will demonstrate
how a careful control of the growth parameter can lead to grow Bi2FeCrO6 samples with
very different configurations.
First, by using the high kinetic energy of the plume and a shadow mask, we could grow few
hundreds of nanometer structures. The structures obtained form squares with perfectly
flat faces that are oriented along the substrate crystal axis. Secondly, by pressurizing the
plasma plume, we could observe the gradual change in the growth mode toward the socalled step-flow mode. The deposited film has a monocrystal-like surface and a good Fe/Cr
cationic ordering. Results of structural analysis as well as atomic and piezoelectric force
microscopy on our samples will be discussed. Finally, even if the off-equilibrium nature of
the PLD technic can turn it in a difficult one, it also provides its great versatility.
Development of a new microwave plasma source at atmospheric-pressure for
treatment of heat-sensitive samples over large areas
A. Durocher-Jean1, L. Stafford1, and G. Laroche2
1
1
Département de physique, Université de Montréal, Montréal, Québec, CANADA
Département de génie des mines, de la métallurgie et des matériaux, Université Laval, Québec,
Québec, CANADA
Poster Abstract
In recent years, atmospheric-pressure plasmas have gained a lot of interest in view of
their interest for fast treatment of materials over large area wafers. While such plasmas are
typically based on corona or dielectric barrier discharges (DBDs) for processing of thin samples
(for example roll-to-roll systems), a number of applications require the treatment of thicker
samples and thus the use of plasma jet configurations. We have recently developed a new,
atmospheric-pressure plasma source using a surfaguide sustaining simultaneously 3 tubular
plasmas based on the propagation of an electromagnetic surface wave. Operated at 2.45GHz,
these tubular plasmas are characterized by much higher electron densities (1013-1014cm-3) than
conventional DBDs (109-1010 cm-3), thus allowing very high fragmentation rates of precursors
intended for PECVD, even in a jet configuration. In the waveguide system used in this study,
since only the fundamental mode (a cosine maximum of the electric field on the axis of the large
section of the rectangular waveguide) is propagating, the first two tubes were placed off-axis,
while the last one was placed just after, on the axis. Such configuration has revealed important
power absorption by the latter tube even if significant amount of power was already used by the
first two. Through the displacement of a plunger located at the end of the transmission line, after
the surfaguide, selective lengths of the first-row tubes and second-row tube can be achieved,
which is a very promising approach for fine-tuning of the plasma jet configuration, and thus of
the process uniformity. This phenomenon is ascribed to the displacement of the maximum
electric field intensity of an established stationary wave in the transmission line.
In situ control of Si (001) surface wettability by excimer laser irradiation in
various liquid environments
Neng Liu, Xiaohuan Huang, Walid Mohamed Hassen, Khalid Moumanis, Jan J. Dubowski
Laboratory for Quantum Semiconductors and Photon-based BioNanotechnology, Interdisciplinary Institute
for Technological Innovation (3iT), Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Québec, Canada
*corresponding author: [email protected], Phone:1-819-821-8000, Fax: 1-819-821-7937
We report on an innovative method of rapid conversion of hydrophobic to hydrophilic and
hydrophilic to hydrophobic state of Si (001) surface by KrF and ArF laser irradiation of samples
immersed in different chemical solutions. The method allows achieving surfaces characterized by
the static contact angle between 15 and 105° without detectable modification of the material surface
morphology. The selective area immobilization of carboxylic acid coated fluorescence nanospheres
outside of the laser-processed area demonstrates an attractive potential of the method for
applications in biosensing and microfluidic technologies.
Optical emission spectroscopy for the in situ monitoring RF magnetron sputtered
heteroepitaxial BaTiO3 film
R. Nouar1,2, R. Porter1, Z. Said Bacar2, R. Thomas2 , C. Coté1, S. Wolfe1, A. Ruediger2, A.
Sarkissian1
1
2
Plasmionique Inc, 171B- 1650 Lionel-Boulet, Varennes, Québec, J3X1S2
Nanoelectronics-Nanophotonics, Centre Énergie, Matériaux et Télécommunications, INRS
1650 Lionel-Boulet, Varennes, Québec, J3X1S2, Canada.
Various oxide materials exhibit superconducting, resistive switching, magneto-electric, and
ferroelectric properties, which are used for the microfabrication of multifunctional electronic
devices, including micro- or nano-electromechanical systems (MEMS or NEMS).
Heteroepitaxial ultra-thin oxides, such as BaTiO3, as potential materials of electronic devices are
gaining wide spread attention. The interface properties of these oxides, when the feature size
reduces to nanometer or sub nanometer regime, would play a critical role in device
characteristics. Given that deposition time for ultra-thin coatings very short, a reliable in situ
process monitoring and controlling tool would be an indispensable part of any manufacturing
process. In this presentation, we evaluate the potential applications of optical emission
spectroscopy (OES) to control the characteristics of ferroelectric BaTiO3 film deposited on single
crystal SrTiO3 (100). The properties of BTO and its interface are strongly correlated to
deposition parameters, particularly the oxygen partial pressure. Two spectrometers with different
spectral resolutions are used to monitor the RF magnetron sputter deposition process, which was
carried out in a MAGNION series, model SPT310-TT table top deposition system (1). We
report on relevance of the spectral resolution and the ratio of various spectroscopic lines on
sensitivity of process control. All data are obtained and analyzed using “OES Capture” software,
developed by PLASMIONIQUE. Detailed results will be presented in this symposium.
(1) “Epitaxial ultra-thin BaTiO3 film on SrRuO3 buffered SrTiO3 (100) by RF-Magnetron
sputtering: Tunneling and electro-resistance effect”, “Zabardjade Said Bacar, Reji
Thomas, Ivan Velasco-Davalos, and Andreas Ruediger”, in this symposium
Oxygen discharge dynamics during low temperature deposition of
thermochromic VO2 films by HiPIMS
S. Loquai, B.Baloukas, T. Schmitt, O. Zabeida, J.E. Klemberg-Sapieha, L. Martinu
Vanadium oxide (VO2) is a well known material with promising thermochromic properties
considered for smart windows and other related applications. In general, when deposited at room
or low temperature, the films develop a dominant oxygen-rich V2O5 structure and composition.
We have recently found that when a HiPIMS approach is used, stoichiometric polycrystalline
VO2 films can be prepared at a lower substrate temperature than that required by the frequently
applied DC or RF sputtering processes [1]. In the present work we investigate the dynamics of
the reactive gas species during the individual pulses using a combination of in situ time- and
space-resolved diagnostic techniques; this includes optical emission spectroscopy, mass
spectrometry, and plasma imaging. We found that during the pulse time-on phase, the plasma is
initially dominated by non-reactive working gas species followed by a fast rise of dissociated
reactive species during the post discharge (mainly atomic oxygen and singly ionized oxygen
atoms). The role of negative oxygen ions appears to be less important than claimed by other
researchers.
The HiPIMS films deposited at temperatures as low as 300⁰C are stoichiometric VO2 with no
presence of the V2O5 phase. Optical transmission variation from the non-conducting to the
conducting state at 2500 nm (ΔT2500 nm) is more than 50%. We found that this transition
temperature for our films (55⁰C for HiPIMS) is lower than that for bulk VO2 (68⁰C).
1. J.-P. Fortier, B. Baloukas, O. Zabeida, J.E. Klemberg-Sapieha, L. Martinu "Thermochromic VO2 thin
films deposited by HiPIMS", Solar Energy Materials & Solar Cells, in press.
Dynamique des Plasmas à Couplage Inductive dans les gaz HBr, Cl2 et O2 et mixtures:
Diagnostiques Laser et Absorption Ultraviolet Large-Bande
Jean-Paul Booth, Mickael Foucher et Pascal Chabert
Laboratoire de Physique des Plasmas, CNRS-Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau France
Les plasmas a couplage inductive dans les mélanges de gaz HBr, Cl2 et O2 à basse pression (1100mTorr) sont très largement utilisées dans l’industrie microélectronique pour graver le poly- silicium
afin de fabriquer les portes des transistors CMOS dans les circuits intégrées. De nombreuses modèles
(de type « globale », ou hybride fluide-Monte Carlo a 2 dimensions) ont été développées pour ces
systèmes, néanmoins il y eu très peu de mesures expérimentales des densités absolues des espèces
transitoires (électrons, ions, atomes et radicaux libres) permettant de tester rigoureusement ces
modèles. Notre projet vise à combler ce déficit, en employant une panoplie de techniques de mesure à
travers une grande plage de paramètres (pression, compostions du gaz et puissance RF injectée). Les
désaccords ainsi constatées permettent de comprendre et remédier les lacunes dans les modèles. Parmi
les techniques employées, on peut citer la sonde résonante micro-onde « hairpin » (densité
électronique), la spectroscopie de fluorescence induit par laser a deux photons pour les atomes (O, Cl
(deux états spin-orbite), Br) avec différents schémas d’étalonnage en absolue, et la spectroscopie
d’absorption large bande pour les molécules. Nous avons construit un nouveau banc d’absorption,
utilisant un plasma induit par laser comme source de lumière « corps noir », des optiques
achromatiques et un spectromètre « Isoplan » corrigé en aberration. Ce montage permet d’enregistrer
des spectres sur une très grande plage spectrale (250nm en mono-coup) avec un niveau de bruit
exceptionnellement bas (5x10-5). Ainsi nous avons observé les spectres des états vibrationellement
excités du Cl2 et de l’O2, ainsi que plusieurs produits du type ClxOy.
Parmi les conclusions importantes de ce travail, nous constatons que les températures translationelles,
rotationnelles et vibrationnelles des molécules peuvent devenir très élevés dans ces systèmes. Ceci à un
impact direct sur la densité du gaz (à pression constant) et donc la collisionalité des électrons. Il est
ainsi nécessaire de bien tenir compte des processus de transfert d’énergie et le bilan de chauffage du
gaz dans la construction d’une modèle fiable.
Déposition par pulvérisation-magnétron réactive de couches minces de TiO2:N dopées in-situ à
l’azote pour des applications électro-photo-catalytiques.
N. Delegan1, R. Daghrir2, P. Drogui2, et M. A. El Khakani 1,*
1
Institut National de la Recherche Scientifique, INRS-Énergie, Matériaux et Télécommunications, 1650
Lionel-Boulet, Varennes, Canada, J3X 1S2
2
Institut National de la Recherche Scientifique, Centre-ETE, 490 Rue de la Couronne, Québec,
Canada, G1K 9A9
*e-mail : [email protected]
Nous avons développé un procédé de pulvérisation magnétron utilisant une décharge RF à 13.56 MHz pour la
synthèse et le dopage in-situ à l’azote des films de TiO2:N. En contrôlant le rapport des débits de gas [N2]/[Ar]
dans l’enceinte du pulvérisateur-magnétron, nous avons pu varier la concentration d’azote 0 et 6 at.% dans les
films de TiO2:N. Les propriétés chimiques et physiques des films de TiO2:N ont été étudiées systématiquement
en fonction de leur teneur en N par différentes techniques, incluant la diffraction à rayons X (DRX), les
spectroscopies infrarouge à transformée de fourrier (FTIR) et des photoélectrons (XPS), l’absorption UV-Vis,
l’ellipsométrie, et la microscopie électronique à balayage (MEB). Nous avons pu suivre la structure cristalline
des films de TiO2:N en fonction de la teneur azote tout en maintenant la phase anatase. La morphologie des films
est plutôt dense et généralement colonnaire avec une certaine nanoporosité entre les colonnes de TiO2. Leur
résistivité augmente avec la teneur en azote en accord avec le dopage de type p apporté par l’azote. Enfin, les
mesures d’absorption optique et d’ellipsométrie ont clairement confirmés un rétrécissement de la bande interdite
des films de TiO2:N au fur et à mesure que leur teneur en azote augmente, passant de 3.2 eV pour le TiO2.pur à
2.25 eV pour le TiO2:N à la teneur optimale de N de 3.5 at.%, étendant ainsi la plage de photosensibilité de nos
films au maximum de l’irradiance du spectre solaire.1 Par ailleurs, les propriétés photocatalytiques des films de
TiO2:N ont été évaluées pour la décomposition électro-photocatlytique de polluants émergeants, sous
illumination solaire standard de 1.5 AM. Nous avons ainsi obtenu une efficacité de décomposition du CTC
(chlortetracycline) de 98% dans les eaux synthétiques, après 2h de traitement.2 Enfin, une corrélation directe est
établie entre les propriétés optoélectroniques des films de du TiO2:N et leur performance électrophotocatalytique.
Références:
[1] N. Delegan, R. Daghrir, P. Drogui, and M. A. El Khakani, soumis, J.Appl. Phys. (2014).
[2] R. Daghrir, P. Drogui, N. Delegan and M. A. El Khakani, Sci. Total Environ., 466-467C (2013) 300–305.
Etude de l’implantation d’hélium dans le tungstène à bas flux ioniques et basses énergies :
Développement d’une source plasma ICP-RF
Lucile Pentecoste1, Anne-Lise Thomann1, Pierre Desgardin2, Thomas Lecas1, Amaël Caillard1, Pascal
Brault1, Marie-France Barthe2
1
2
Groupe de Recherche sur l’Energétique des Milieux Ionisés, UMR7344, Université d’Orléans/CNRS, Orléans, France
Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation, UPR3079, CNRS, Orléans, France
Le tungstène est un des matériaux choisis pour constituer la première façade du divertor, le collecteur
d’énergie du réacteur de fusion ITER. Il a été montré que son irradiation par de hauts flux d’ions induit la
génération de défauts lacunaires au sein du cristal et éventuellement d’agrégats ions/lacunes et de
bulles. L’objectif de cette étude est d’observer les premières étapes de la formation de ces défauts suite
à l’insertion d’hélium dans le cristal de tungstène, à bas flux ioniques et basses énergie, afin d’éviter
toute pulvérisation de la surface.
Pour ce faire, une source plasma est spécialement développée au GREMI pour délivrer des flux d’He+ à
des énergies cinétiques inférieures au seuil de déplacement du W. Puis, des substrats à des
températures allant de 80 à 875 K sont exposés à un plasma d’3He+. L’3He est utilisé afin de mesurer la
quantité d’ion implanté par la technique d’analyse par réactions nucléaires (NRA).
La caractérisation de la source avec des diagnostics plasma de type sonde de Langmuir et fluxmètre
(développé au GREMI) confirme que les flux d’ions sont compris entre 1011 et 1014 at.cm-2.s-1 et que
l’énergie globale transférée à la surface est essentiellement due aux ions accélérés dans la gaine sans
collision, avec une énergie comprise entre 50 et 500 eV.
Les analyses par NRA des substrats implantés ont montré de faibles taux de rétention des ions (inférieurs
à 1021 at.m-2) équivalente à ceux présentés par P.-E. Lhuillier dans une étude préliminaire. La
Spectroscopie d’Annihilation des Positons est utilisée et permet de caractériser les défauts lacunaires
induits dans le tungstène en fonction de la fluence et des conditions d’implantation. L’évolution de la
morphologie des surfaces est également observée au microscope électronique à balayage. En parallèle,
des simulations de dynamique moléculaire sont menées pour comparer aux expériences et ainsi aider à
la compréhension des phénomènes mis en jeu.
Évolution cyclique de la température des électrons dans les plasmas
poussiéreux à injection de précurseurs pulsée
Auteurs: V. Roy Garofano1, L. Stafford1, B. Despax2,3 et K. Makasheva2,3
1
Département de Physique, Université de Montréal, Montréal, Québec, Canada H3C 3J7
2
Université de Toulouse, UPS, INPT, LAPLACE, F-31062 Toulouse Cedex 9, France
3
CNRS, LAPLACE, F-31062 Toulouse Cedex 9, France
L’argent est connu pour être un agent antimicrobien efficace tandis que le SiO2 possède
des propriétés diélectriques, optiques et barrières pertinentes pour plusieurs applications
de pointe. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la croissance de couches
minces nano-composites formées de nano-particules d’argent imbriquées dans une
matrice organosiliciée. Pour ce faire, nous avons eu recours à la pulvérisation physique
(PVD) d’une cible d’argent dans un plasma RF d’argon de 40 mTorr avec une injection
pulsée du précurseur hexametyldisiloxane (HMDSO) destiné au dépôt chimique en phase
vapeur assisté par plasma (PECVD) [1]. Dans ce travail, nous étudions l’évolution de la
température des électrons par spectroscopie optique d’émission dans ces plasmas
hybrides PVD-PECVD. À partir de mesures du potentiel flottant sur le porte-substrat,
l’évolution temporelle du plasma peut être décrite par deux cycles périodiques : le
premier correspond à l’injection pulsée du précurseur sur une période de 5s tandis que le
deuxième concerne la formation et la disparition des poudres dans la phase gazeuse sur
une échelle de 100 à 200 s. Plus précisément, le potentiel flottant chute lorsque les
poudres se forment et augmente lorsque celles-ci disparaissent. Un comportement
similaire mais hors phase est observé pour les raies d’émission : le plasma devient plus
lumineux lorsque les poudres sont présentes. En ayant recours à un diagramme de
Boltzmann tracé à partir des raies d’argon issues des niveaux près du seuil d’ionisation,
nous avons noté une augmentation de la température d’excitation lors de la formation des
poudres (transition d’un plasma électropositif vers un plasma électronégatif) suivi d’une
diminution de cette température lorsque celles-ci disparaissent (retour au plasma
électropositif). Un comportement similaire pour la température des électrons a pu être
déduit à partir d’un modèle collisionel-radiatif pour les transitions 4p-4s.
[1] Despax, B., et al. (2012). "Cyclic powder formation during pulsed injection of
hexamethyldisiloxane in an axially asymmetric radiofrequency argon discharge." Journal
of Applied Physics 112(9): 093302.
Laser MegaJoule & Fusion par confinement inertiel
Guy Bonnaud
CEA, INSTN, Centre de Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette
La présentation brosse une revue de l'état actuel des recherches sur la fusion par
confinement inertiel au travers de ses aspects technologiques, théoriques et
expérimentaux. La présente décennie est marquée par l'arrivée des lasers de la classe
mégajoule dont la mise en œuvre est orientée vers la démonstration de la capacité d'un tir
laser 2 MJ à extraire 20 MJ d''énergie de fusion de la cible de deutérium-tritium. Le
démarrage des premières expériences sur le National Ignition Facility au Lawrence National
Livermore National Lab (NIF, Ca, USA) a apporté son lot d'essais, de difficultés et
d'avancées vers l'objectif mentionné. Le LMJ (i.e. Laser MegaJoule) est en construction à
Bordeaux (France) avec le même objectif d'ici la fin de la décennie. Nous passons en revue
successivement : (i) le principe du confinement inertiel avec son critère spécifique de
Lawson ; (ii) la dynamique de la cible dans ses caractéristiques hydrodynamiques de
densité, vitesse et température sur la durée de l'impulsion laser de la vingtaine de
nanosecondes ; (iii) les différents processus physiques mis en œuvre : absorption
collisionnelle, interaction laser-plasma instable au travers des diffusions Raman, Brillouin et
de la filamentation, création de chocs, instabilités hydrodynamiques, point chaud ; (iv) les
expériences réalisées, en particulier celles réalisées ces trois dernières années sur le NIF.
Comprehensive study of high-order harmonic generation from graphite
plasma
M. A. Fareed, Y. Pertot, S. Mondal, M. Boudreau and T. Ozaki
Institut national de la recherche scientifique – Centre Energie, Matériaux et Telécommunications, 1650 Lionel-Boulet, Varennes, Québec J3X
1S2, Canada
Author e-mail address: [email protected]
High-order harmonic generation (HHG) is a process in which intense ultrafast laser light is
converted to light with integer multiples of its fundamental frequency, during an extremely high
nonlinear interaction in a conversion medium [1]. This process is an important coherent optical
source of attosecond pulses in the extreme ultraviolet (XUV) region, which is opening new
frontiers in science, such as attosecond science [2]. Attosecond science will enable us to observe
the electron dynamics of atoms, molecules and condense matter. HHG is currently generated
from gaseous medium, plasmas and solid surfaces. Our group at the INRS/ALLS is working to
generate high-order harmonic from low-density laser-ablated plasmas [3]. HHG from lowdensity plasmas have been found to be a highly efficient method for generating coherent sources
of XUV radiation, compared to those from gaseous medium [4]. The presence of strong radiative
transitions of specific materials further improves the efficiency of individual harmonic, e.g. the
13th harmonic of indium and the 17th harmonic of tin [3]. It is observed that laser-induced
graphite plasma has one of the highest conversion efficiency for harmonics generation [3]. We
have observed that the intensity of each harmonic from graphite is comparable or even higher
than resonance induced harmonics of other materials such as indium and tin. Several
characteristics have been investigated, but many remain to be explored, such as high conversion
efficiency, broad bandwidth, redshift, high divergence, low-cost target preparation and low
dependence of impurities for harmonics generation.
In this work, we present our comprehensive study of the graphite plasma that is of relevance for
HHG. Several types of targets are used to find the moderate density of materials for intense
HHG. The species responsible for HHG are identified by using time resolved spectroscopy, in
the exact time domain of prepulse and main pulse interaction. It is observed that most of the
spectral emission in the visible region contains molecular vibrational transitions of the C2
molecules associated with the d3Πg → a3Πu band system. However, a continuum ~ 405 nm is
also observed, which belongs to the Swing bands of C3 radicals (𝐴1 Π𝑢 → 𝑋1 Σ𝑔+ ). These clusters
are usually directly ablated from graphite plasma. The contribution of directly ablated clusters is
confirmed by decreasing the interaction delay between the prepulse and the main pulse.
References
[1]
[2]
[3]
[4]
P. Corkum, Phys. Rev. Lett. 71, 1994 (1993).
P. Corkum and F. Krausz, Nat. Phys. 381 (2007).
T. Ozaki, R. Ganeev, M. Suzuki, and H. Kuroda, in (In Tech, 2010).
R. A. Ganeev, T. Witting, C. Hutchison, F. Frank, P. V. Redkin, W. A. Okell, D. Y. Lei, T. Roschuk, S. A. Maier, J. P.
Marangos, and J. W. G. Tisch, Phys. Rev. A 85, 015807 (2012).
Control of Electron Localization in Molecular Dissociation by
a Midinfrared Two-Color Laser Field
Vincent Wanie,1 Heide Ibrahim,1 Nicolas Thiré,1 Samuel Beaulieu,1 Bruno Schmidt,1 Yunpei
Deng,2 Ali S. Alnaser,3 Igor V. Litvinyuk,4 and François Légaré1
1
Institut National de la Recherche Scientifique, 1650 Blvd. Lionel-Boulet, J3X 1S2, Varennes (Qc), Canada
2
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin 14195, Germany
3
Physics Department, American University of Sharjah, POB26666, Sharjah, UAE
4
Centre for Quantum Dynamics, Griffith University,Nathan, Queensland 4111, Australia
[email protected]; [email protected]
Intense femtosecond (10-15s) laser pulses can induce molecular dissociation via a broad
range of pathways involving different electronic states. Furthermore, breaking the
symmetry of a laser field allows control of these processes via the steering of electron
motion, which is accomplished by superimposing electronic states of different parity. The
symmetry break can be obtained, for example, by controlling the carrier envelope phase
(CEP) of a few-cycle laser pulse, or by combining two laser beams of different
wavelength, whose relative phase is adjusted. Both techniques are compared for midinfrared (MIR) laser pulses (1.8 µm) generated from a laser source that was developed at
the advanced laser light source (ALLS). They lead in many cases to a significant control
gain compared to an excitation wavelength of 800 nm.
We used a MIR two-color (1.8 µm and 900 nm) laser field to ionize and control
H2 and D2 dissociations, which provides an alternative to CEP stable laser source. By
varying the relative phase of both colors, asymmetries (i.e., electron localization
selectivity) of up to 15% were calculated directly from a time of flight (TOF) mass
analysis. By retrieving fragments position and flight time from their initial spatial
location, kinetic energy release (KER) asymmetries up to 30% were also evaluated.
Dissociation channels such as the bond softening (BS) channel and the recollision
excitation (RCE) channel were identified according to pathways suggested in literature.
The results demonstrate a higher level of control compared to previous CEP control
experiments and suggest the possibility to shape the proper asymmetric electric field for a
specific dissociation channel. The method was further used to ionize and control the
deprotonation of C2D2 and C2H2.
Simulations Vlasov de l’amplification paramétrique d’impulsions laser ultra-brèves par interaction avec
une impulsion longue dans un plasma
M. Shoucri 1, J.-P. Matte 2, F. Vidal 2
1 Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ), Varennes, Québec, Canada J3X1S1
2 INRS Énergie et Matériaux, Université du Québec, Varennes, Québec, Canada J3X1S2
Dans le développement de lasers à impulsions ultra-courtes et ultra-intenses, on fait face à une limite
imposée par le seuil de dommage des matériaux solides, ce qui limite l’amplification paramétrique dans
ces milieux. Par contre, les plasmas n’ont pas cette limite, et des recherches actives sont en cours dans
le monde entier pour amplifier des impulsions courtes par interaction paramétrique avec une impulsion
plus longue en contre-propagation dans un plasma [1].
Deux types d’interaction sont étudiées :
l’interaction Raman et l’interaction Brillouin. Nous comparerons brièvement ces deux types
d’interaction. Pour la seconde, lorsque les deux ondes sont suffisamment intenses, il y a un couplage
non-linéaire efficace qui permet d’amplifier des impulsions très brèves. La plupart des simulations
d’interaction laser intense – plasma ont été faites avec des codes à particules (PIC), qui souffrent
toutefois d’un bruit statistique important. Les codes Vlasov [2] - où l’équation de Vlasov est intégrée
directement dans l’espace de phase, au lieu d’utiliser un nombre limité de super-particules - permet
d’éviter ce bruit statistique. Nous présenterons des simulations Vlasov de l’amplification Brillouin, et
comparerons à une simulation PIC déjà publiée du même cas [3]. Grâce au code Vlasov, nous avons pu
simuler une amplification plus importante dans un plasma plus long qu’il n’était possible avec un code
PIC, ce dernier étant limité par l’amplification paramétrique du bruit numérique.
[1] G.A. Mourou, N.J. Fisch, V.M. Malkin, Z. Toroker, E.A. Khazanov, A.M. Sergeev, T.
Tajima,, B. Le Garrec,
Optics Comm. 285, 720 (2012)
[2] M. Shoucri, J.-P. Matte, F. Vidal, Laser Part. Beams 31, 613 (2013)
[3] A.A. Andreev, C. Riconda, V.T. Tikhonchuk, S. Weber Phys. Plasmas 13, 053110 (2006)
Imagerie X en cinq dimensions
S. Fourmaux, A. Saraf, P. Antici, S. MacLean, J.C. Kieffer
INRS-EMT, 1650 blvd L. Boulet, Varennes, Qc, J3X 1S2
E. Hallin
Canadian Light Source inc, Saskatoon, SK, S7N 2V3
A. Krol
SUNY Upstate Medical University, Syracuse, USA
Nous présentons une méthode pour cartographier en temps réel la dynamique
temporelle rapide des interfaces et interactions locales entre composants d’un milieu
anisotrope et complexe. La méthode repose sur l’imagerie cohérente au moyen du
rayonnement X dur (10keV et plus) généré lors de l’interaction d’un laser ultra-intense
avec la matière. Des exemples d’applications seront présentés et discutés.
Plasma induced liquid phase chemistry: plasma diagnostics and biomedical
applications
Peter J. Bruggeman
University of Minnesota, Department of Mechanical Engineering, 111 Church Street SE,
55455 Minneapolis, USA
[email protected]
Non-equilibrium cold atmospheric pressure plasmas are intensively investigated for
biomedical applications. The large variety of plasma sources available all over the world
made a comparison of results between different groups extremely complex and has inhibited
a fast progress of the understanding of the plasma-bio interaction mechanisms. In addition,
the complexity of the non-equilibrium plasma itself is reflected in state-of-the-art diagnostics
often with a temporal and spatial resolution of a few nanoseconds and a few micrometres,
respectively, which makes this a very challenging interdisciplinary topic.
This contribution will highlight some examples recently studied by the speaker and his
co-workers on the characterization of non-equilibrium cold atmospheric pressure plasma jets
developed for biomedical applications. Particularly diagnostics used to investigate the
reactive chemistry and plasma kinetics will be discussed. The outcomes of these studies
allow exploring detailed chemical mechanisms of the gas phase plasma and determine fluxes
to substrates. These investigations have led to a well characterized plasma jet.
In addition the transfer of gas phase to liquid phase reactivity strongly determines
plasma-bio interactions in the framework of disinfection applications and wound healing.
The diagnostics of the liquid phase species is another challenge which will be addressed in
this contribution. These combined studies have led to the identification of several reaction
pathways involved in plasma-bio interaction of which some examples will be discussed.
[1] P. Bruggeman and R. Brandenburg, Atmospheric pressure discharge filaments and
microplasmas: physics, chemistry and diagnostics, J. Phys. D: Appl. Phys. 46 (2013) 464001
[2] S. Samukawa, M. Hori, S. Rauf, K. Tachibana, P. Bruggeman, G Kroesen, J.C. Whitehead, A.B. Murphy, A.F. Gutsol, S. Starikovskaia, U. Kortshagen, J.P. Boeuf, T.J. Sommerer,
M.J. Kushner, U. Czarnetzki, N. Mason, The plasma roadmap 2012, J. Phys. D: Appl. Phys.
45 (25) (2012) 253001
[3] P. Bruggeman and C. Leys, Non-thermal plasmas in and in contact with liquids, J. Phys.
D: Appl. Phys., 42 (2009) 053001
Étude de la densité électronique de décharges électriques nanosecondes à la
pression atmosphérique dans la vapeur d’eau
F P Sainct1,2, D A Lacoste1,2, M J Kirkpatrick3, E Odic3 and C O Laux1,2
1 CNRS, UPR288 Laboratoire EM2C, Grande Voie des Vignes, 92295 Chatenay-Malabry, France
2 Ecole Centrale Paris, Grande Voie des Vignes, 92295 Chatenay-Malabry, France
3 Department of Power and Energy Systems, SUPELEC, 3 rue Joliot-Curie, 91192 Gif-surYvette, France
Les décharges plasma dans la vapeur d’eau sont d’un grand intérêt pour de nombreuses
applications potentielles, telles que le traitement biomédical, la production d’hydrogène
ou la combustion assistée par plasma. Cette présentation propose une caractérisation
expérimentale détaillée de l’effet chimique des décharges non-thermique nanosecondes
répétitives pulsées (NRP) à la pression atmosphérique dans la vapeur d’eau pure. Un
réacteur a été conçu pour fonctionner avec la vapeur d’eau préchauffée 500 K. Les
conditions opératoires retenues sont un débit de 300 g/h à 500 K et une décharge avec une
énergie moyenne de 10 W, en régime Spark.
La densité électronique a été mesurée par spectroscopie d’émission optique (OES) résolue
en temps grâce à l’élargissement par effet Stark des raies (Halpha, Hbeta et l’Oxygène
atomique). La densité électronique maximale mesurée est 2x1018 cm3 pendant l’impulsion.
Pompage paramétrique d’oscillations à la fréquence plasma ionique
par un champ EM intense dans un plasma micro-ondes
Michel Moisan1 et Helena Nowakowska2
1
2
Groupe de physique des plasmas, Université de Montréal
Centre for Plasma and Laser Engineering, Institute of Fluid-Flow Machinery, Gdansk, Pologne
L’amplitude d’oscillation de l’électron (appelée paramètre d’excursion x) dans un champ
électromagnétique (ÉM) suffisamment fort peut surpasser la longueur de Debye électronique λDe,
faisant en sorte que les ions, n’étant plus "sous la tutelle des électrons", peuvent se mettre à osciller
collectivement à leur fréquence naturelle fpi. Les conditions expérimentales pour faire apparaître un tel
phénomène sont très restrictives : il faut, entre autres, faire en sorte que le champ EM appliqué soit
confiné spatialement dans une région de dimensions plus faibles que celles du plasma qui en résulte. Dit
autrement, il faut que θa, la puissance absorbée (en moyenne sur une période HF) par électron du champ
EM, soit plus grande, localement, que θp, la puissance dissipée par celui-ci par collisions avec les neutres
pour entretenir la décharge, alors qu’habituellement la situation est plutôt que θa ≈ θp. Nous allons
décrire un montage permettant de réaliser de telles conditions opératoires en sorte que l’on observe des
oscillations plasma-ioniques où la valeur de fpi est liée à la fréquence fpe des électrons du plasma, ellemême déterminée par f0, la fréquence dite pompe du champ micro-ondes par la règle : fpi + fpe = f0. Le
phénomène d’excitation paramétrique périodique (parametric decay instability) a été observé dans
différentes conditions [1], mais il semble qu’une seule publication ait rapporté l’apparition d’une
oscillation dans le voisinage immédiat de la fréquence plasma-ionique [2]. Ce phénomène nécessite que
x/ λDe ≈ 5 – 10, ce qui peut s’obtenir si expérimentalement θa >> θp. Cela peut se justifier à partir d’un
modèle hydrodynamique s’appuyant sur nos données expérimentales.
[1] M. Porkolab, Physica, 82C, 86-110 (1976).
[2] M. Moisan and P. Leprince, Beitrage aus der Plasma Physik, 15, 83-104 (1975).
Influence des paramètres plasmas sur la cinétique de gravure de
masques de phase en quartz.
P. Vinchon1, N. Hossain1, B. Le Drogoff1, S. Delprat1, P. Long2, J.Azaña1, M.Chaker1
1
2
INRS-EMT, Varennes (Canada), O/E Land Inc. - Lassalle (Canada)
La gravure par plasma permet la définition précise de motifs grâce aux différents paramètres plasma
qu’il est possible de modifier (puissance ICP, RF, mélange de gaz,…). La vitesse de gravure, les profils et
la rugosité sont directement influencés par les conditions de gravure. Cette grande versatilité peut être
mise à profit pour la réalisation de masque de phase qui requiert un contrôle très précis des motifs qui
influencent fortement la qualité des réseaux exposés par
la suite. En effet, l’exposition de réseaux de Bragg (RDB)
UV
par masque de phase utilise les propriétés diffractives
light
d’un réseau (pas typique ˂ 1 µm) inscrit en relief
Phase mask
(profondeur de l’ordre de centaine de nanomètres) dans
Photosensitive
un masque de Quartz transparent afin de générer un
optical fiber
patron d'interférence par diffraction d’un faisceau laser
+2nd order
-2nd order
incident (Figure 1). Ce sont ces motifs nanométriques qui
contrôlent l’atténuation de la diffraction de l’intensité
0th order
-1st order
+1st order
laser dans l’ordre 0 et l’uniformité de l’intensité du Figure 1: Exposition d’un RDB sur fibre optique
patron d’interférence qui imprime un changement d’indice par la technique du masque de phase.
dans la fibre optique.
La gravure du Quartz par plasma, pour la définition de ces motifs nanométriques, est donc une étape
cruciale dans la fabrication des masques de phase. Des
expériences de gravure par plasma de CF4 ont été mené sur un
graveur ICP-RIE (Oxford PlasmaLab ICP380) afin d’étudier
l’influence des différents paramètres du plasma sur la vitesse de
gravures et les profiles. La dilution du CF4 dans l’hélium
([CF4]/[He]=0.5%) est étudiée afin de diminuer la vitesse de
gravure jusqu’à quelques nm/min. Un contrôle précis de la
vitesse de gravure (par un suivi in-situ de la profondeur gravée)
combiné à une bonne verticalité des parois (Figure 2) permet de
réduire la puissance diffractée d’un raynement laser (248 nm) Figure 2 : Image SEM de profil d’un réseau de
dans l’ordre 0 inférieure à 2%.
quartz avec son masque de chrome
A comparative study of surface structures on titanium,
aluminum, copper and stainless steel by femtosecond laser
micromachining
KM Tanvir Ahmmed: Department of Chemical Engineering, McGill University, 3610
University Street, Montreal, QC, H3A 0C5, Canada
Tel.: 1-438-887-5245
[email protected]
Edwin Jee Yang Ling: Department of Chemical Engineering, McGill University, 3610
University Street, Montreal, QC, H3A 0C5, Canada
Anne-Marie Kietzig*: Department of Chemical Engineering, McGill University, 3610
University Street, Montreal, QC, H3A 0C5, Canada
Abstract: Femtosecond lasers have drawn a lot of research attention in recent years due
to their ability to precisely micromachine materials while maintaining a very small heat
affected zone. Different types of micro- and nano-scale surface structures were produced
on four different metals and alloys (titanium, aluminum, copper and stainless steel) by
femtosecond laser irradiation in ambient environment. The structures obtained include
both anisotropic and isotropic, homogeneous and non-homogeneous patterns such as
ripples, micro-bumps, holes, maze, crumbs, nano-forests and periodic micro-channels.
The combination of various experimental parameters can be coupled together to generate
both an accumulated pulse and line intensity distribution; we show how these
distributions can be used to predict the surface microstructure for a given set of
micromachining conditions. Pulse-per-spot and laser fluence parameters can also be sued
to predict surface structures. The micro- and nano-structures formed by the femtosecond
laser irradiation modified the optical, chemical, and wetting characteristics of the
machined materials, which can be used for engineering applications such as microfluidics,
colored metals, implants and self-cleaning surfaces.
Keywords: femtosecond laser, micromachining, superhydrophobic surface
Oral presentation
Terahertz Thermometry and Imaging in Plasmonically
Heated Aqueous Environments
Rafik Naccache,1 Anna Mazhorova, 1 Matteo Clerici,1 Luca Razzari, 1 Fiorenzo Vetrone, 1
Roberto Morandotti1
1
Institut National de la Recherche Scientifique – Énergie, Matériaux et Télécommunications,
1650 Lionel-Boulet, Varennes, QC, Canada, J3X 1S2
The rapid ascent of nanoscience has garnered significant attention in recent years [1]. Much of the interest
generated has dealt with the use of nanoparticles in imaging and therapeutics [2]. Of particular interest are
the metal nanoparticles (MNPs), which show a surface plasmon resonance (SPR) following excitation with
an appropriate irradiation source. An interesting by-product of the SPR is a localized temperature increase,
which in an in vitro or in vivo setting can be used to heat the interstitial waters and induce hyperthermia in
cells [3]. In this work, we study the use of terahertz (THz) waves, for temperature sensing and imaging in
vitro, given the sensitivity of the THz waves to changes in the absorption and refractive indices of water
and other aqueous media [4]. More specifically we investigate the case of a change in refractive index
induced by the localized heating via plasmonic nanostructures. These plasmonic nanostructures, namely
gold nanorods (GNRs), were prepared using conventional a bottom up seed-mediated growth using a
surfactant to direct the GNR growth. In order to establish the temperature-amplitude transfer calibration
curve, a volume of water was heated in the temperature range of 25-60 ºC and the THz trace was recorded
in reflection geometry. A linear change in the amplitude of the THz reflection was noted as the GNR
dispersion was heated up. Plasmonic heating was also successfully correlated to the temperature calibration
curve we developed. Finally, we successfully applied plasmonic heating to a skin model and demonstrated
the capacity to map the injected skin, even under excitation power densities as low as 0.4 W/cm2 (Fig 1).
8
0.8
6
0.6
4
0.4
2
0.2
2
4 6
8 10
X Position (mm)
10
1
8
0.8
6
0.6
4
0.4
2
0.2
2
4 6
8 10
X Position (mm)
10
Y Position (mm)
1
Y Position (mm)
Y Position (mm)
10
1
8
0.8
6
0.6
4
0.4
2
0.2
2
4 6
8 10
X Position (mm)
Figure 1. THz reflection signal intensity in the mapped skin sample (following GNR injection) and
plasmonic heating at (a) 0 W/cm2, (b) 0.4 W/cm2 and (c) subtraction of (b) and (a). Axis on the right reflects
the intensity scale.
[1] M. H. Fulekar, Nanotechnology: Importance and Applications (I K International Publishing House Pvt. Ltd, 2010).
[2] P. Zrazhevskiy, Mark Sena, Xiaohu Gao “Designing multifunctional quantum dots for bioimaging, detection, and drug delivery” Chem. Soc.
Rev. 39, 4326-4354 (2010).
[3] J. H. Park, G. von Maltzahn, M. J. Xu, V. Fogal, V. R. Kotamraju, E. Ruoslahti, S. N. Bhatia, M. J. Sailor “Cooperative nanomaterial system
to sensitize, target, and treat tumors” P. Natl. Acad. Sci. USA 107, 981-986 (2010).
[4] A. J. Fitzgerald, V. P. Wallace, M. Jimenez-Linan, L. Bobrow, R. J. Pye, A. D. Purushotham, D. D. Arnone “Terahertz Pulsed Imaging of
Human Breast Tumors” Radiology 239, 533-540 (2006).
Synthèse de nanoparticules par décharges dans les liquides : Une étude par
spectroscopie d’émission optique
Ahmad Hamdan1,2,*, Cédric Noël1, Jaafar Ghanbaja1 & Thierry Belmonte1
1
Université de Lorraine, Institut Jean Lamour, UMR CNRS 7198, NANCY, F-54042, France
2
Groupe de physique des plasmas, Université de Montréal, C.P. 6128, succ. centre-ville, MONTREAL,
Les plasmas dans les liquides constituent un domaine qui est actuellement l’objet
d’intenses recherches. Leurs applications couvrent des champs divers et variés tels que le
traitement des eaux, le traitement des surfaces, la synthèse de nanoparticules, etc. Cette dernière
application est particulièrement étudiée car elle a montré qu’il était possible d’atteindre des
rendements remarquables par rapport à d’autres méthodes de synthèse.
L’influence du liquide sur la synthèse de nanoparticules est présentée ici. Nous avons
réalisé des décharges électriques entre deux électrodes en aluminium (gap = 100 µm, V = +15
kV) dans trois liquides différents : eau, heptane et azote liquide. Après 1000 décharges, on laisse
le liquide s’évaporer et l’on récupère les produits formés déposés par sédimentation sur un
substrat de silicium afin de les caractériser. Les décharges ont été caractérisées temporellement
par spectrométrie d’émission optique (SEO) avec une résolution de 50 ns.
Les résultats ont montré qu’une distribution de particules de tailles comprises entre 5 et 10
nm est obtenue dans les trois liquides. Toutes ces particules une fois remises à l’air pour
permettre leur caractérisation s’avère être de l’alumine amorphe. Toutefois, dans l’heptane nous
avons observé dans de rares cas des particules d’aluminium cristallines lorsqu’elles se trouvent
entourées par une coquille de carbone issue de la décomposition de l’heptane. Cette coquille
protectrice forme alors une barrière contre l’oxygène de l’air. Nous en avons déduit que dans
l’heptane, comme dans l’azote liquide, les nanoparticules sont formées à l’état métallique et
s’oxydent ensuite à l’air, processus qui s’accompagne d’une amorphisation.
Le cas de l’eau est spécifique. On observe la présence d’une seconde classe de particules
d’alumine amorphe de tailles comprises entre 50 et 200 nm. Sachant que la durée du plasma est
de 200 ns, la SEO a montré que le milieu émet un rayonnement pendant 1600 ns dans l’eau, 1100
ns dans l’heptane et 800 ns dans l’azote liquide. Un rayonnement continu, dû à la recombinaison
électron-ion, dominent pendant les premières 200 ns. Les émissions de certaines raies atomiques
et bandes moléculaires (Hα et le système de Swan de C2 dans l’heptane, Hα et AlO dans l’eau et
Al-auto-absorbé dans l’azote liquide) ont été utilisées pour déterminer certaines propriétés du
plasma, comme la densité électronique et la température.
Epsilon ferrite: a new multiferroic material?
L. Corbellini1, J. Plathier1, C. Lacroix2, D. Menard3 and A. Pignolet1
1Institut National de la Recherche Scientifique, Université du Québec
Varennes, Québec, Canada J3X 1S2
2Department of Electrical Engineering, Polytechnique Montréal,
Montréal, Québec, Canada H3C 3A7
3Department of Engineering Physics, Polytechnique Montréal,
Montréal, Québec, Canada H3C 3A7
ε-Fe2O3 is a metastable intermediate phase of iron (III) oxide, between maghemite (γ-Fe2O3) and
hematite (α-Fe2O3). The epsilon ferrite phase has been investigated essentially because of its
ferrimagnetic ordering with a Curie temperature TC = 510 K [1]. However, given its orthorhombic
crystal structure that belongs to the non centrosymmetric space group Pna21, the material should
exhibit ferroelectric behavior along with magnetoelectric coupling of the two orders [2, 3].
We report the growth by Pulsed Laser Deposition of epitaxial thin films of ε-Fe2O3 on different
single crystal substrates and discuss their ferroelectric, magnetic and structural properties. Metal
doping has been reported in nanoparticles where it has been shown to modify the ferromagnetic
resonance frequency of the material by changing the strength of magnetic anisotropy [1, 4, 5]. By first
principle calculation analysis, we studied the effect that metal doping would have on the magnetic
and ferroelectric properties of the material. Our assumption is that inserting metallic defects inside
the crystal distorts the crystal structure thereby affecting the polarization of the epsilon phase and
improving it.
Piezoelectric and ferroelectric properties were analyzed both at the macroscopic level and locally
at the nanoscale by Piezoresponse Force Microscopy: initial results showed how the non-doped
phase is only slightly polar. Magnetic properties were characterized at RT and close to Curie
temperature using a Vibrating Sample Magnetometer (VSM), confirming that the epsilon ferrite
films are characterized by high magnetic anisotropy.
[1] S. Ohkoshi, et al., Angew. Chem. Int. Ed. 46, 8392 (2007);
[2] E. Tronc, et al., J. Solid State Chem. 139, 93 (1998);
[3] M. Gich et al., Nanotechnology 17, 687 (2007);
[4] S. Ohkoshi, et al., Nature Communications 3, 1 (2012);
[5] S. Ohkoshi, et al., J. Am. Chem. Soc. 131, 1170 (2009).
Management of self-accelerating beams in Free Space
Yi Hu1, Domenico Bongiovanni1, Zhigang Chen2,3, Roberto Morandotti1
1
Institut National de la Recherche Scientifique, Varennes, Québec J3X 1S2, Canada, 2 TEDA Applied
Physics School, Nankai University, Tianjin 300457, China, 3 Department of Physics and Astronomy, San
Francisco State University, San Francisco, California 94132, USA
Self-accelerating beams, featured by a transversely bending trajectory, have attracted a great deal
of attention. Such interest was initially stimulated by the intriguing properties of Airy waves, first
introduced in quantum mechanics, and recently in optics. In the last few years, self-accelerating
Airy waves have been demonstrated and proposed for a host of potential applications in optics
and a variety of other settings such as, optical trapping and manipulation, plasma guidance and
generation of light bullets. The spectra of all self-accelerating beams are composed of different
spatial frequencies whose phases have a specific relationship reminding of temporal nonstationary signals. To analyze non-stationary signals in time domain, the gradient spectral phase
has been successfully introduced to describe the group delay. Since the concept of group delay in
time domain can be analogous to that of position in the spatial domain, it is then possible to
perform the direct mapping from the spectrum to the beam path by introducing the concept of
spatial spectral phase gradient.
In this work, we study the dynamics of self-accelerating beams in a frequency-like manner and
demonstrate the prediction/engineering of their trajectories. While in time domain the spectral
phase gradient is related to the group delay, in the spatial domain the same quantity is associated
with the local position of a light beam. In this framework, we found that the single beam
trajectory of self-accelerating light at different propagation distances is managed by different key
spatial frequencies. The properties of self-accelerating beams, including self-bending and selfhealing are re-examined in the language of frequency. In addition, multiple trajectories of nonstationary beams are managed by different parts of the spectrum and each one of them is a convex
curve. Through this new scheme, we can not only trace the beam path of the maximum intensity
for a known spectral phase, but also construct a phase structure in the Fourier space for desired
beam trajectories. This method can also be readily used for studying vector non-stationary beams.
Furthermore, our analysis can be straightforward applied to non-stationary waves/fields in other
systems.
Étude de l’influence de la texturisation de surface et de la longueur des Nanotubes de carbone
alignés verticalement sur les propriétés d’émission à effet de champ.
L. A. Gautier, V. Le Borgne, M. A. El Khakani*
Institut National de la Recherche Scientifique, INRS-Énergie, Matériaux et Télécommunications, 1650
Lionel-Boulet, Varennes, Canada, J3X 1S2
*courriel : [email protected]
Nous avons développé un procédé de structuration hiérarchique des nanotubes de carbone
multi-paroi (NTCMP) alignés verticalement en combinant la texturisation contrôlée des
substrats de silicium et la croissance des nanotubes avec un procédé CVD assisté par
plasma (PECVD). Les NTCMP ont été systématiquement caractérisés par microscopie
électronique à balayage (MEB), Raman et intégrés dans des dispositifs d’émission à effet de
champ (EEC) pour les mesures électriques (J-E). La texturisation des substrats de Si est
basée sur l’attaque chimique au KOH pour former des micro-pyramides de Si dont le rapport
d’aspect (RA) peut être ajusté par polissage mécanique. Nous avons ainsi pu varier le RA
entre 0 et 0.6. Cet assemblage pyramides-NTCMP permet de jouer sur le facteur de forme et
d’obtenir des pointes avec un grand facteur de forme et d’améliorer les caractéristiques
d’EEC. En effet, cette structuration a permis d’augmenter la densité de courant extrait et de
diminuer le champ d’extraction seuil de 3 V/µm à 1.68 V/µm.1 Le rapport d’aspect des
émetteurs peut aussi être modifié par la longueur des NTCMP synthétisés par PECVD, ce qui
a un effet direct sur les propriétés d’EEC. Pour ce faire, la variation de la température de
synthèse PECVD (entre 550 et 700 °C) nous a permis de croître des nanotubes dont la
longueur varie entre ~0.1 et ~4 µm. En caractérisant les propriétés d’EEC de ces nanotubes,
nous avons pu montrer que le champ seuil peut être baissé de 7.15 V/µm à 1.8 V/µm lorsque
la longueur des NTCMP varie de 0.12 à 3.6 µm. Les caractéristiques J-V de nos dispositifs
ont été systématiquement analysées avec le modèle Fowler-Nordheim et les résultats
obtenus discutés en terme de facteur d’amplification du champ ressenti localement par les
émetteurs.
Références
[1] L.-A. Gautier, V. Le Borgne, S. Al Moussalami, and M. A. El Khakani, Nanoscale Res. Lett.
(2014) 9:55.
Grating-patterned Sub-wavelength Terahertz Beam Profiling
through an All-optical Knife-edge Technique
Sze Phing Ho1,2, Anna Mazhorova1, Mostafa Shalaby1, Marco Peccianti3, Matteo Clerici1,4, Alessia
Pasquazi1, Yavuz Ozturk1,5, Jalil Ali2, Roberto Morandotti1.
1
INRS-EMT, University of Quebec, 1650, Blvd. Lionel-Boulet, Varennes, Quebec J3X 1S2, Canada.
Nanophotonics Research Alliance, Universiti Teknologi Malaysia, 81310 UTM Skudai, Johor, Malaysia.
3
Dept. of Physics and Astronomy Pevensey Building II, 3A8, University of Sussex, United Kingdom.
4
School of Engineering and Physical Sciences, Heriot-Watt University, Edinburgh, United Kingdom.
5
Electrical and Electronics Engineering Department, Ege University, Izmir 35100, Turkey.
*
[email protected], [email protected]
2
The knife-edge (KE) technique is a well known profiling method for laser beams [1] and it is widely used
in terahertz (THz) characterization. Specifically, the full amplitude and phase distribution can be retrieved
using THz time-domain spectroscopy (TDS) systems. However, the characteristics of a sub-wavelength
(sub-λ) THz source are not accessible using integrated KE techniques due to the nonseparable space-time
nature of the radiated field and to the systematic modifications induced by the blade itself [2]. A novel
and non-contact technique is proposed in this work, where an all-optical, ultra-thin knife-edge (OKE) is
demonstrated relying on the THz absorption by photo-excited free carriers at the output facet of the THz
generation crystal, thus eliminating the need of a physical blade. Terahertz pulses are generated through
optical rectification of femtosecond optical pulses generated by a Ti:sapphire regenerative amplifier
(pulse duration of 120 fs, wavelength of 800 nm, repetition rate of 1 kHz) from a ZnTe crystal. Counter
propagating ultraviolet (UV) pulses (λ = 400 nm, of photon energy 3.1 eV) are exploited to induce a
photo-carrier layer via single photon absorption in proximity of the output surface of the THz-emitting
ZnTe crystal. A pump illumination pattern consisting of narrow bright fringes (fringes spacing ≈ 30 µm,
achieving sub-λ scale in THz regime) is generated by a Fresnel biprism with the apex angle of 177°,
mounted prior to the ZnTe crystal. Our results demonstrate the possibility of a novel, all-optical, ultrathin-thickness KE as an effective and promising profiling technique for sub-λ THz sources in different
shapes.
References :
[1] D. Grischkowsky, Opt. Photonics News 3, 21 (1992); [2] M. Peccianti et al., IEEE J. Sel. Topics Quan Electron. 99, 1 (2012).
Analyse numérique de la synthèse de catalyseurs à base de fer, azote et graphène
dans un réacteur à plasma thermique
N. Y. Mendoza-González, U. Legrand, P. Pascone, J.-L. Meunier et D. Berk.
Département de Génie Chimique, Université McGill, Montréal H3A 2B2, Québec-Canada
Des travaux récents ont montrés l’efficacité d’un catalyseur à base de métal non-noble (Fe) pour la
réaction de réduction de l’oxygène (RRO) dans une membrane électrolyte polymérique (MEP) des piles à
combustible (PC) [1]. La structure catalytique est basée sur une dispersion atomique des atomes de fer
dans un support de carbone. Pour augmenter la stabilité de ce type de catalyseur, nous avons développé
une structure de base à très haute cristallinité de type graphène, appelés nano-flocons de graphène (NFG)
[2], avec une fonctionnalisation impliquant d’abord l’ajout d’azote [3]. L’incorporation du fer étant faite
jusqu’ici par méthodes mécanique/chimiques a permis des stabilités exceptionnelles du catalyseur en
situation réelle dans PC-MEP [4]. Cependant elle a l’inconvénient de réduire la cristallinité des NFG et
ainsi de dégrader ses propriétés. Une méthode d’incorporation du fer en mode plasma est donc étudiée
afin de profiter de la réactivité du milieu et de minimiser les effets structurels sur les NFG.
Ce travail présente la modélisation de la nucléation du fer et de carbone dans un réacteur à plasma
inductif. Le modèle calcule le transfert de chaleur, de masse et de quantité de mouvement du système
gazeux composé de Ar-N-C-Fe couplé avec la nucléation, la condensation et la formation de nouvelles
nanoparticules de Carbone et de Fer. Dans le but d’éviter la formation de nanoparticules de fer ou de
dissocier ces nanoparticules des NFG, la concentration initiale de fer est variée afin de visualiser les zones
du réacteur où ces nanoparticules auront tendance à se former. Notre étude de simulation indique qu’il est
possible d’incorporer le fer dans le même procédé à plasma. Ceci permettra un procédé où le rendement,
la reproductibilité et la production sont très intéressants. La synthèse intégrée d’un catalyseur PC-MEP
actif et stable dans un même procédé plasma semble donc tout à fait possible.
Références:
[1] E. Proietti, (2013). Thèse de doctorat, INRS-EMT, Québec, Canada.
[2] R. Pristavita, N. Mendoza-Gonzalez, J.-L. Meunier, D. Berk, (2011). Plasma Chem. Plasma Process,
31, 6, 851-866.
[3] D. Binny, J.-L. Meunier, D. Berk (2012). IEEE Nano 2012, Birmingham (UK), 20-23.
[4] P.A. Pascone, D. Berk, J.-L. Meunier (2013). Catalysis Today, 211, 162-167.
Electrical and optical properties of transparent conductive p-type In-doped SrTiO3
thin films
Wei Huang1, Riad Nechache1, 2, Shun Li1, Mohamed Chaker1 and Federico Rosei1, 3
1
INRS -Centre Énergie, Matériaux et Télécommunications, Boulevard Lionel-Boulet, Varennes, Québec,
J3X 1S2, Canada.
2
NAST Center & Department of Chemical Science & Technology, University of Rome Tor Vergata Via
della Ricerca Sceintifica, 00133 Rome, Italy.
3
Center for Self-Assembled Chemical Structures, McGill University, H3A 2K6 Montreal, Québec, Canada.
Abstract:
The typical transparent conductive oxide Sn-doped In2O3 (ITO) is one of the most
widely used as thin-film electrodes in photovoltaic (PV) cells because of its low
resistivity (~10−4Ω·cm) and high optical transparency (≥80% over the visible to near
infrared wavelengths). However, ITO films are unfavorable for use as transparent
conductive thin-film electrodes in pervoskite-based PV cells because of a distinct
mismatch of ITO films with pervoskite-structured materials, such as ~60% lattice
mismatch with BiFeO3. Thus, an interface formed between the pervoskite active layer
and the ITO top electrode hinders the effective transport of the photogenerated electrons
and holes, resulting in a low solar-to-electric conversion efficiency. Nowadays, with the
emergence field of ferroelectric perovskite based photovoltaic devices, doped Strontium
titanate (SrTiO3; STO) based TCO becomes an extremely attractive as a transparent
conductive layer in such devices owing to its chemically stable structure, smooth surface
and low lattice mismatch with most ferroelectric perovskite oxides. Integration of
crystalline doped STO based TCO in ferroelectric photovoltaic heterostructures will open
an alternative way to achieve highly efficient devices in various technological
applications including photovoltaics. Fully understand of the electrical conduction and
optical transparency behavior in doped STO films is required for designing highefficiency perovskite-based PV cells. Here I will review the recent progress of our group
in the exploration of TCO based on p-type In-doped SrTiO3 films (SrInxTi1−xO3). We will
present, the controlled growth and characterization of thin films via pulsed laser
deposition. The optimization of optical and electrical properties of such system will be
also discussed.
Characterization of Aluminum Laser-Induced Plasma plume Expansion
in various ambient atmospheres
M.S. Dawood and Joëlle Margot
Université de Montréal
Intra-Pulse Raman Scattering Controlled
via Asymmetric Airy Pulses
Yi Hu,1,2 Amirhossein Tehranchi,1,3 Stefan Wabnitz,4 Zhigang Chen,2,5 Raman Kashyap,3
and Roberto Morandotti1
1
INRS-EMT, 1650 Blvd. Lionel-Boulet, Varennes, Québec J3X 1S2, Canada
The MOE Key Laboratory of Weak-Light Nonlinear Photonics, TEDA Applied Physics Institute and School of Physics, Nankai University,
Tianjin 300457, China
3
Advanced Photonics Concepts Laboratory, Department of Electrical Engineering and Department of Engineering Physics, Ecole Polytechnique,
University of Montreal, C.P. 6079, Succ. Centre-ville, Montreal, Quebec, H3C 3A7, Canada
4
Dipartimento di Ingegneria dellInformazione, Università di Brescia, Via Branze 38, 25123 Brescia, Italy
5
Department of Physics & Astronomy, San Francisco State University, San Francisco, CA 94132, USA
e-mail address: [email protected]
2
Summary
Airy pulses have attracted increasing attention since they were introduced into optics as they are ubiquitous in
dispersive optical systems. The dynamics of these pulses has been studied in both linear and nonlinear regimes.
However, the experimental investigation of Airy pulses is still relatively unexplored, particularly under the influence
of higher order nonlinearities in fibers. Among these nonlinearities, stimulated Raman scattering (SRS) is perhaps
the most fundamental; it introduces asymmetry (in time) in the pulse dynamics due to its delayed nature, which leads
to a continuous downshift of the frequency of a gradually slowed soliton – the so-called soliton self-frequency shift
(SSFS). Since Airy pulses exhibit asymmetric shapes, they may show interesting behavior under the action of the
asymmetric Raman response of the fiber. Moreover, clarifying the dynamics of these pulses in the presence of SRS
could be beneficial in controlling SSFS as well as in understanding the Airy pulse evolution in more complex
nonlinear systems. Here, we study the SSFS of a pre-shaped Airy pulse in a fiber. Under the influence of the delayed
Raman response, the generated Raman solitons show different nonlinear interactions with the main lobe, as well as
with the tails of two input Airy pulses. Making a comparison for the two inputs, for a tail-leading Airy pulse (whose
main lobe has a fast leading edge and a slow trailing edge), the first generated Raman soliton captures a significant
amount of energy thanks to its relatively longer interaction with the main input lobe, a fact that consequently
hampers the possibility of generating a secondary Raman soliton. Furthermore, the generated soliton continuously
slows down upon propagation, and it never meets the oscillatory Airy tails. In this case, the SSFS process is mostly
influenced by the main input lobe. Under the same conditions, but with a tail-trailing Airy pulse, the first Raman
soliton pulse experiences a shorter interaction with the main lobe than the tail-leading Airy pulse. The main soliton
gains less energy with respect to the previous case, thus leading to generation of a secondary Raman soliton. In our
experiments, we also demonstrate a novel and convenient method for the control of soliton fission and subsequent
SSFS through the offset of the spectral phase associated with the input Airy pulses, revealing new features. These
studies will bring about new possibilities for effective frequency tuning of Raman solitons, important for many
applications, such as pulse compression, spectroscopy, etc.
Fig. 1. Nonlinear propagation of different asymmetric Airy pulses with a (a) leading and (b) trailing tail.
Autoresonant wave mixing in a nonuniform LBO crystal
Oded Yaakobi1, Anna Mazhorova1, Matteo Clerici1,2, Gabriel Dupras1,
Daniele Modotto3, François Vidal1, and Roberto Morandotti1
1
INRS-EMT, 1650 Boul. Lionel-Boulet, Varennes, QC J3X 1S2 Canada.
2
School of Engineering and Physical Sciences, Heriot-Watt University,
Edinburgh EH14 4AS, UK. 3Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione,
Università di Brescia, via Branze 38, Brescia, 25123, Italy.
In recent years, various wave-mixing phenomena in generic nonuniform media have been
analyzed in terms of autoresonant theories [1-3]. One of the conclusions of these studies
was that inducing wave-mixing processes in nonuniform media allows complete energy
conversion between the interacting waves within a large bandwidth. These theories were
supported by experimental studies of Second Harmonic Generation (SHG) [4, 5]. In
particular, varying the temperature of a LiB 3O5 (LBO) crystal longitudinally has been
suggested as a mechanism to improve the SHG conversion efficiency starting from a
broadband pulse [5]. We have validated our generic autoresonant theories experimentally
by implementing them in a specific system. In our experiment, we have used a 5 cm-long
non-critically phase matched LBO crystal and a pulsed laser beam at 1450 nm, with an
average power of 0.52 mW and pulse duration of 3 ps. A monotonic increase in the
second harmonic emission along propagation was observed, reaching a final conversion
efficiency of 62±8%. We modeled our experiment by solving the coupled mode
equations for the amplitudes of the fundamental frequency wave and its second harmonic
wave. According to our recently developed theory [3], if the range of variation of the
temperature in the crystal includes a certain known interval, then a stable autoresonant
state is established. This autoresonant solution is characterized by a monotonic increase
of the conversion efficiency, and is found to be in an excellent agreement with the local
average of the numerical solution. For the parameters chosen in our experiment, our
analytically-calculated lower bound for the final conversion is 83%, in good agreement
with our numerical solution value (88%), and with the measured value (62±8%).
References:
[1] O. Yaakobi and L. Friedland, “Autoresonant four-wave mixing in optical fibers,” Phys. Rev. A 82, 023820 (2010).
[2] O. Yaakobi et al., “Complete energy conversion by autoresonant three-wave mixing in nonuniform media,” Opt.
Express 21, 1623 (2013).
[3] O. Yaakobi et al., “Complete pump depletion by autoresonant second harmonic generation in a nonuniform medium,” J.
Opt. Soc. Am. B 30, 1637 (2013).
[4] K. Mizuuchi et al., “Broadening of the phase-matching bandwidth in quasi-phase-matched second-harmonic
generation,” IEEE J. Quantum Electron. 30, 1596 (1994).
[5] K. Regelskis et al., “Efficient second-harmonic generation of a broadband radiation by control of the temperature
distribution along a nonlinear crystal,” Opt. Express 20, 28544 (2012).
Optimisation de la chimie de surface de nanotubes de carbone pour l’absorption de CO2
L. Jorge, T. Mesquida, P.-L. Girard-Lauriault et S. Coulombe
Laboratoire des procédés plasmas (PPL), Département de génie chimique,
Université McGill, Montréal (QC), Canada
Plusieurs processus industriels, notamment le raffinage du pétrole et la synthèse de gaz naturel,
évacuent du CO2 directement dans l’atmosphère, contribuant ainsi au réchauffement climatique. Les
produits utilisés pour séquestrer le CO2 présent dans les effluents industriels, plus particulièrement les
alcools aminés, requièrent des installations coûteuses en énergie pour fonctionner, expliquant pourquoi
peu d’industries emploient ces systèmes. Entre autres, pour éviter l’évaporation de solvants aminés, les
effluents gazeux doivent être refroidis en-dessous de 50 ∘C. De plus, ces solvants endommagent la
tuyauterie par la corrosion et la formation de sels. Les nanofluides (NF), qui consistent en des
dispersions de nanoparticules dans une variété de solvants, sont des nouveaux matériaux absorbants
offrant une large gamme de propriétés, adaptables aux différentes caractéristiques des effluents gazeux
industriels.
Nous développons des NFs à base de nanotubes de carbone (NTCs) fonctionnalisés par plasma
radio-fréquentiel (RF, 13.56 MHz) à basse pression afin d’ajuster leur chimie de surface pour accroître
l’affinité des NTCs pour le CO2 et la stabilité du NF. Lors de l’exposition à un plasma RF opérant à
35 W sous une atmosphère contrôlée de NH3, C2H6 et Ar à une pression de 0.6 Torr, la surface des
NTCs acquiert des fonctions amines, qui par leur caractère basique ont une grande affinité pour le CO2,
qui est acide. Un ratio des flux de gaz NH3:C2H6 de 5:1, avec un flux maximal de 10 cm3/min pour le
C2H6, produit des NTCs qui sont stables en solution pendant plusieurs mois et peuvent être chauffés
jusqu’à 100 ∘C sans causer d’agglomération observable. Le processus de fonctionnalisation dans ces
conditions mène au dépôt d’une fine couche de polymère plasma sur les NTCs tel qu’observé par
microscopie électronique à balayage (MEB). La spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X
(XPS) indique que ces NTCs acquièrent jusqu’à 9% d’azote, dont une partie sous forme de fonctions
amines. Des études d’absorption des gaz par les NFs dans une colonne à bulles de gaz sont en cours et
seront également présentées afin de démontrer l’efficacité des NFs.
Characterization of tetragonal tungsten bronze Ba2LnFeNb4O15 (Ln = Eu, Sm, La, Pr, Nd)
thin films grown by pulsed laser deposition
T. Hajlaoui1, R. Bodeux2, D. Michau2, M. Josse2, and A. Pignolet1
1
Institut National de la Recherche Scientifique – Centre Énergie, Matériaux Télécommunications,
INRS-EMT / Université de Québec
2
Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux - Université de Bordeaux, CNRS-ICMCB
In the bulk, the tetragonal tungsten bronzes doped with lanthanides Ba2LnFeNb4O15 (TTB-Ln) exhibit the
spontaneous formation of a magnetic phase of Barium hexaferrite within the TTB phase.The co-existence of one
magnetic phase within a ferroelectric matrix produces a novel room temperature multiferroic composite.
In this study we have investigated the physical and structural properties of TTB-Ln thin films prepared by sputtering
and by pulsed laser deposition (PLD). The aim of this work is to determine whether their behavior is similar to that
of bulk ceramics of the same composition, and to establish under which conditions the composite thin films of TTBLn are multiferroics at room temperature. Thin films of TTB-Ln were grown on Si-(100) and Si/Pt-(111) substrates
using sputtering [1] and PLD in order to evaluate the influence of the growth technique on the properties of the
TTB-Ln thin films.The morphological study revealed thata grain structure is observed for all of films.The diameter
of the grains was estimated of the order of 100 nm for a film thickness estimated to be around 150 nm. The
Structural study indicates the presence of three phases: The principal one is the TTB phase and the two secondary
phases are fergusonite of formula LnNbO4 and barium hexaferrite of formula BaFe12O19.The lattice parameters of
the polycrystalline thin films were estimated to be 𝑎 ≈ 12.422 Å and 𝑐 ≈ 3.92 Å which are smaller than those
observed in the bulk [2] indicating the buildup of an additional compressive stress in the film during the
deposition.The size of crystallites was estimated to be approximately 40 nm indicating that each grain is composed
of many crystallites.The ferroelectric measurements of Ba2LnFeNb4O15thin films have been studied and hysteresis
loops were observed for Ln = Eu, Sm and Nd dopants. These observations indicate the occurrence of ferroelectric
property in these films.
References
[1] D.Michau, A. Simon and M.Maglione. J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 075407
[2] M. Josse, O. Bidault, F. Roulland, E. Castel, A. Simon, D. Michau, R. Von der Muhll, O. Nguyen,
and M. Maglione. SolidState Sciences 11 (2009) 1118–1123
Energy distribution of Zn neutrals and ions during radio-frequency
magnetron sputtering of ZnO target
Authors: V. Roy-Garofano, R. K. Gangwar, L. Maaloul, T. Cavalho, and L. Stafford
Département de Physique, Université de Montréal, Montréal, Québec, Canada H3C 3J7
During magnetron sputtering in rf plasmas, the ejected particles interact with the gas
phase atoms, giving rise to a complex energy distribution of sputtered neutrals and ions. In the
present work, we have investigated the energy distributions of Zn particles close to the substrate
in a low-pressure Ar magnetron plasmas used for sputter-deposition of ZnO-based thin films.
Plasma sampling mass spectrometry (PSMS) of Ar positive ions showed a single peak structure
corresponding to Ar ions accelerated in the sheath potential. On the other hand, in the case of Zn
positive ions, PSMS analysis showed a double-peak structure, with a low-energy component
corresponding to the acceleration of Zn ions in the sheath potential and a high-energy peak,
which vanished as pressure increased from 5 to 20 mTorr. Analysis of the voltage waveform
using a high-voltage probe indicated that the RF+DC voltage at the cathode remained too low for
sputtered Zn positive ions to overcome the sheath potential in that region. The high-energy peak
recorded by PSMS close to the substrate thus corresponds to sputtered Zn neutrals ionized by
collisions in the gas phase. A number of processes including elastic collisions, penning
ionization, charge transfer, and electron-impact ionization can occur following the interaction of
Zn atoms with the Ar plasma. Using an exhaustive set of cross sections for all of these processes
[1, 2], the Boltzmann equation was solved to examine the energy distribution of Zn atoms along
the distance between the target and the substrate. Resulting Zn ion energy distribution functions
were compared to those obtained from PSMS.
References:
[1] K A Temelkov et al, J. of Phys. Conference Series, 44, 116 (2006).
[2] A R Turner-Smith et al, J. Phys. B: At. Mol. Phys., 6, 114, (1973).
Étude du transport de nanoparticules dans un plasma à pression
atmosphérique pour la réalisation de couches minces nano-composites.
P. Brunet1,2, J. B. de Matos1, R. Rincon Lievana1, A. Hendaoui1, M. Chaker1 and F. Massines2
1
2
INRS-ÉMT
Laboratoire PROMES, Université de Perpignan
L'étude des couches minces de type SiOx réalisées par un plasma d'azote ou d'hélium de type décharge à
barrière diélectrique (DBD) à partir de solvants polymérisables comme l'héxamethyldisiloxanes
(HMDSO) ou le tetraethylorthosilicate (TEOS) ont déjà prouvé leur utilité. Cette étude se propose
d’explorer l'inclusion de nanoparticules dans une matrice de type SiOx pour produire des matériaux
composites. Pour ce faire, ces nanoparticules doivent être dans un premier temps mises en suspension
pour être par la suite injectées à l’aide d’un nébuliseur dans le plasma DBD. Afin de contrôler la taille des
nanoparticules, leur concentration ainsi que leur dispersion dans la matrice SiOx, il est important de
comprendre dans un premier temps les phénomènes reliés au transport de celles-ci jusqu’au plasma DBD.
Dans cette perspective, une étude par spectroscopie d’absorption faisant intervenir le « surface plasmon
resonant (SPR) » des nanoparticules métalliques de type Au, Ag... a été réalisée. L’objectif est de tester
l’aptitude de cette technique à être couplée au montage DBD pour permettre une analyse in-situ et non
intrusive de la concentration et de la taille des nanoparticules injectées. Par la suite, des films minces
avec l'injection de nanoparticule ont été déposés et analysés par XPS, XRD et SEM afin d’en corréler les
caractéristiques avec les résultats obtenus par la spectroscopie d’absorption.
Vers l’optimisation et le contrôle de la génération d’harmonique
d’ordre élevée par des plasmas de carbone : méthodes de diagnostic
in situ du plasma par spectrométrie de masse à temps de vol
Maxime Boudreau1, Ashiq Fareed1, Sudipta Mondal1, Tsuneyuki Ozaki1, Jean-François Bisson2
1
Institut National de la Recherche Scientifique, Énergie, Matériaux et Télécomunications, 1650 Lionel-Boulet, Varennes, Québec J3X 1S2
Groupe de recherche sur les couches minces et la photonique, Département de physique et d’astronomie, U.de Moncton, Moncton, NB, E1A 3E9
2
La génération d’harmoniques d’ordres élevées (GHE) est un mécanisme d’optique non-linéaire extrême
produisant du rayonnement cohérent et intense dans le domaine de l’ultra violet extrême (UVX), en plus de
permettre la génération d’impulsions attosecondes isolées [1]. Les plasmas de carbone générés par ablation laser
représentent un milieu d’interaction de choix pour la GHE car il permettent de générer des impulsions aux
énergies de quelques microjoules, ce qui représente une amélioration d’environ un ordre de grandeur par rapport
aux autre milieux d’interaction étudiés [2].
Les chercheurs attribuent les vertus efficaces de la GHE par des plasmas de carbone étant donné leur
particularité d’être composés d’un vaste éventail d’agrégats formant des nanoparticules à différentes tailles et
géométries [2]. Toutefois, peu de connaissances sont établies quant à la nature réelle des interactions laser
matière au sein de tels plasmas. En particulier, la nature des espèces responsables de la GHE efficace dans ces
plasmas demeure toujours inconnue.
Dans cette affiche, nous faisons état des travaux en cours sur des méthodes de diagnostic in situ des plasmas de
carbone par spectrométrie de masse à temps de vol. Ces méthodes sont appliquées dans des buts d’optimisation
et pour un meilleur contrôle des propriétés de la GHE. Le système expérimental conçu à cet effet est illustré à la
figure 1. Nous présentons les défis liés à l’étude du plasma dans les conditions habituelles pour la GHE, entre
autre la difficulté de la caractérisation du plasma au moment propice pour la GHE, c’est-à-dire à ses tout débuts
du procédé d’expansion. Les résultats préliminaires de l’étude, indiquant que la composition du plasma dépend
fortement de la longueur d’onde d’ablation et de la durée d’impulsion sont présentés et analysés. Nous
discutons enfin des perspectives ultérieures du projet, entre autre la possibilité de faire des mesures de
spectrométrie de masse résolues en temps, ainsi que d’étudier les distributions énergétiques des différentes
espèces présentes dans le plasma.
Figure 1 : Système de déposition par ablation laser annexé à un spectromètre de masse à temps de vol.
Références
[1]
G. Sansone, E. Benedetti, F. Calegari, C. Vozzi, L. Avaldi, R. Flammini, L. Poletto, P. Villoresi, C. Altucci, R. Velotta, S.
Stagira, S. De Silvestri, and M. Nisoli, “Isolated single-cycle attosecond pulses.,” Science, vol. 314, no. 5798, pp. 443–6, Oct.
2006.
[2]
L. B. Elouga Bom, Y. Pertot, V. R. Bhardwaj, and T. Ozaki, “Multi-µJ coherent extreme ultraviolet source generated from
carbon using the plasma harmonic method.,” Opt. Express, vol. 19, no. 4, pp. 3077–85, Feb. 2011
Deposition of TiO2-based nanostructured coatings in atmosphericpressure DBDs using TTIP precursor
O. Levasseur1, L. Stafford1, J. Profili1,2 and N. Gherardi2,3
1
Département de Physique, Université de Montréal, Montréal, Québec, Canada H3C 3J7
2
Université de Toulouse, UPS, INPT, LAPLACE, F-31062 Toulouse Cedex 9, France
3
CNRS, LAPLACE, F-31062 Toulouse Cedex 9, France
Because of their unique properties, TiO2 thin films are relevant for many technological
applications, including photocatalysis, photovoltaics, UV-barrier, biocompatibility, and sanitary
disinfection. Plasma CVD is highly efficient for fabricating TiO2 thin films, but it has mainly
been realized using low-pressure systems that may not be appropriate for large scale applications.
In this work, we explore the deposition of TiO2-based coatings in a plane-to-plane He dielectric
barrier discharge at atmospheric-pressure using titanium tetraisopropoxide (TTIP) as the growth
precursor. Following the introduction of 20 ppm of TTIP, current-voltage characteristics revealed
that the plasma remained homogeneous with only one broad discharge current peak per half
oscillating cycle. Decomposition of the precursor produced TiO2 thin layers as observed by
Attenuated Total Reflectance – Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR)
measurements. Preliminary surface analysis by optical microscopy revealed that those layers
consist of large, flat crystallites. Transmittance measurements through the crystallites revealed
that they act as a UV barrier, blocking radiation up to 300nm. Using the same operating
conditions, the addition of oxygen to the plasma led to the formation of macroscopic TiO2
crystals on the surface. Further surface analysis through SEM and DRX will be conducted to get
more insights on the structural properties of the deposited layers and their crystalline form.
Some insights on the relationship between the plasma engine driving forces and diamond growth
A. Gicquel1, C. Rond1, M. Wartel2, X. Aubert1, C. Duluard1, S. Hamann3, G. Lombardi1, A. Pipa3, K.
Hassouni1, J. Roepcke3
N. Derkaoui1, A. Tallaire1, O. Brinza1, F. Silva1, J. Achard1
Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, UPR3407, CNRS-Université Paris 13,
99 av. J. B. Clément, 93430 Villetaneuse, France
2
GREMI-CNRS, Université d’Orléans, Rue Gaston Berger, BP4043
18028 Bourge, France
Leibniz Institute for Plasma Science and Technology, Felix-Hausdorff-Str. 2,
17489 Greifswald, Germany
Can the questions “how can we deposit diamond of very high purity/high quality at very high
growth rate ?”, “how can we dope efficiently diamond ?”, find answers in a multi-diciplinary
research associating plasma analysis and diamond growth This talk will be dedicated to show some
insights for progressing in CVD diamond perfection or in opening the multifaceted potential of
diamond thanks to the plasma understanding.
Two-Photon Absorption Laser Induced Fluorescence (TALIF) technique has been used to determine
absolute atomic hydrogen densities axial profiles in the H2/CH4 microwave plasma operating at
high power and pressure, conditions necessary to growth fast high quality diamond single crystals.
They are compared to line-of-sight averaged measurements realized by OES as well as to
calculations provided by a 1D plasma model. A direct relationship between growth rates and Hatom densities is established as power, pressure and CH4 percentage are varied.
In addition, infrared tunable diode laser absorption spectroscopy (IR TDLAS) has been implemented
in the reactor to measure line-of-sight integrated absorption in H2/CH4 and H2/CH4/B2H6 plasmas.
Hydrocarbon species (CH3, CH4, C2H2, C2H4 and C2H6) and diborane (B2H6) have been probed
according to pressure/power couple and methane content. The variations of the detected species
densities have been measured as functions of pressure-microwave power couple and gas
composition (admixtures of methane and diborane) for high pressure (≥ 100 mbar) and high power
(≥ 2 kW) conditions. The results show that C2H2 is the most abundant reaction product, and an
increase of the degree of dissociation of CH4 and B2H6 with pressure and power. Furthermore, OES
measurements were performed to determine boron atom density. Again, spectroscopic
measurements were compared to calculations provided by a 1D model operating in H2/CH4/B2H6
mixture.
Croissance directe par ablation laser de nanoparticules de PbS sur des nanostructures
unidimensionnelles et leur intégration en dispositif pour le développement de cellules solaires
nanohybrides à haute performance
I. Ka, B. Gonfa, V. Le Borgne, D. Ma, M. A. El Khakani*
Institut National de la Recherche Scientifique, INRS-Énergie, Matériaux et Télécommunications, 1650
Lionel-Boulet, Varennes, Canada, J3X 1S2
*[email protected]
L’utilisation des nanoparticules (NPs) semiconductrices de sulfure de plomb (PbS) dans les cellules
solaires offre la possibilité d’absorber la partie infrarouge du rayonnement solaire et d’augmenter
ainsi leur performance de photoconversion.1 Ces NPs de PbS sont majoritairement synthétisées par
des méthodes chimiques qui nécessitent l’utilisation de ligands. Cependant, la présence de ces ligands
rend difficile le transfert de charges lorsque les NPs sont associées avec d’autres nanomatériaux pour
former des nanohybrides (NHs). Nous présenterons une nouvelle approche physique basée sur le
dépôt par plasma d’ablation laser pour la décoration de différentes nanostructures
unidimensionnelles (1D), dont les nanotubes de carbone (NTCs) et nanofils (NFs) de TiO2, par des NPs
de PbS. Nous avons ainsi pu développer des nanohybrides à base de NTCs aux propriétés
optoélectroniques remarquables.2 De plus en associant ces nanohybrides de NTCs/NPs-PbS avec des
NFs de TiO2, nous avons pu fabriquer des dispositifs photovoltaïques hautement performants.3
L’optimisation de la quantité déposée de NPs et de la longueur des NFs de TiO2 nous a permis
d’obtenir une efficacité de conversion de puissance (ECP) aussi élevée que 4.85% sous illumination
solaire (AM 1.5). Nous avons montré que cette valeur remarquable d’efficacité de conversion de
puissance (ECP) est obtenue pour les cellules solaires dont la longueur des NFs de TiO2 était de ~300
nm. De plus, à l’opposé des cellules solaires à base de NPs élaborées en solution, dont le rendement
décroît rapidement lorsqu’elles sont exposées à l’air, nos ECPs sont restées stables pendant plusieurs
mois. L’incorporation des NTCs dans ces dispositifs PVs à base de NPs-PbS/NFs-TiO2 a permis
d’améliorer davantage l’ECP des dispositifs pour atteindre une valeur aussi élevée que 5.3%. Cette
performance remarquable est attribuée à l’augmentation de l’absorption des photons et de la
collection des charges dues à la présence des NTCMPs.
Références :
1. D. Wang, J. K. Baral, H. Zhao, B. A. Gonfa, V. -V. Truong, M. A. El Khakani, R. Izquierdo, D. Ma,
Adv. Funct. Mater. 21 (2011), 4010.
2. I. Ka, V. Le borgne, D. Ma, M. A. El Khakani, Adv. Mater. 24 (2012) 6289.
3. I. Ka, B. Gonfa, V. Le borgne, D. Ma, M. A. El Khakani, Adv. Funct. Mater. (2014), in press.
Etude du transport de particules chargées dans un plasma froid magnétisé
R. Baude1, F.Gaboriau1, G.J.M. Hagelaar 1,2
1
Université de Toulouse, UPS, INPT, LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d’énergie), 118
route de Narbonne, F-31062 Toulouse cedex 9, France
2
CNRS, LAPLACE, F-31062, Toulouse, France
e-mail: [email protected]
Le comportement du plasma en présence d’un champ magnétique est étudié depuis la fin des années 50
et les premiers travaux sur le confinement magnétique. Les sources de plasma froid utilisant un champ
magnétique se retrouvent dans de nombreuses applications telles que la propulsion spatiale, les
procédés microélectroniques, les sources d’ions négatifs... Ces sources suscitent un intérêt croissant
mais se heurtent à de nombreuses interrogations concernant les effets induits par le champ magnétique.
Les outils numériques développés récemment permettent d’apporter de nouveaux éléments de
compréhension mais se trouvent confrontés à un manque de données expérimentales. Le but de cette
étude expérimentale est de fournir des données sur le transport de particules chargées dans deux
configurations magnétiques typiques dites de dérive bornée et de dérive fermée. Les informations
obtenues sont ensuite confrontées aux résultats d’un modèle fluide 2.5D [1].
L’utilisation d’une sonde de Langmuir permet de caractériser le plasma en volume mais ne donne pas
d’informations relatives au flux de particules. La caractérisation expérimentale du flux électronique et
ionique est effectuée à l’aide d’une sonde de mesure de courant à la paroi [2]. Cette technique permet
d’obtenir une résolution spatiale et temporelle des flux d’ions et d’électrons arrivant à la surface de
l’enceinte.
Nous avons mis en évidence expérimentalement, dans la configuration de dérive bornée similaire à la
source d’ions négatifs d’ITER, que les parois de l’enceinte ont pour effet d’obstruer la dérive
magnétique. Le flux de particules orienté par la dérive magnétique vers la paroi latérale est alors
redirigé à travers la barrière magnétique. Le passage des électrons se caractérise alors par une forte
asymétrie du courant d’électrons. Dans ce cas, le flux électronique suit une loi en 1/B (B intensité du
champ magnétique). La configuration de dérive fermée similaire aux sources magnétrons et aux
propulseurs, actuellement à l’étude, possède une symétrie cylindrique. La dérive magnétique est alors
piégée en rotation autour de l’axe de symétrie et ne participe pas au transport des électrons vers les
parois. Le transport électronique suit alors une loi classique en 1/B². Toutefois, le modèle fluide
suggère la présence d’instabilités pouvant réduire le confinement magnétique. Les résultats
expérimentaux de cette étude seront présentés et discutés.
Remerciements
Ces travaux sont effectués grâce à l’aide de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) soutenant le
projet METRIS, contrat numéro : ANR-11-JS09-008-01.
Références
[1]
G. J. M. Hagelaar and N. Oudini, Plasma Phys. Control. Fusion 53, 124032 (2011).
[2]
R. Baude, F. Gaboriau, and G. J. M. Hagelaar, Rev. Sci. Instrum. 84, 083502 (2013).
Synchrotron Radiation Studies of Nanoparticle Formation in Electrical Arcs
J.B.A. Mitchell, J.L. Le Garrec, E. Lee Choi, E. Carvou
Institut de Physique de Rennes, UMR du CNRS No. 6251, Université de Rennes I, 35042, Rennes,
France
The electrical contacts group at the Université of Rennes I has wide experience in studying the effects
of arcing on electrical contacts used in the automobile and the electrical industry. Material is lost
from the electrodes during arcing which can occur during both the opening and closing of switches
(due to contact bounce). Over the last three years we have used the technique of small angle x-ray
scattering to, examine the formation of nanoparticles within arcs produced between Ag, AgSnO2 and
carbon electrodes. These experiments were performed at the Soleil national synchrotron radiation
facility. With AgSnO2 electrodes, (widely used in automotive switches), it was found that smooth
surface nanoparticles with an average size of between 30 and 40 nm were formed in the arc. With Ag
electrodes, on the other hand, the particles appear to be aggregated. With carbon electrodes, we
were not able to determine the size of the particles as their dimension fell outside of our detectable
range (determined by the target to detector distances and thus the factor q = (4π/λ) sin θ/2 where λ
is the x-ray wavelength and θ the scattering angle). It was found however, that the surface of these
particles was rough which is coherent with the fact that when condensing, carbon passes directly
from the vapor to the solid state. We plan to perform further measurements using a wider q range to
explore the larger particle domain. The relevence of this work to arc duration and the material
dependence of the ease of arcing will be discussed.
[1] Small Angle X-Ray Scattering and Electron Microscopy of Nanoparticles Formed in an
Electrical Arc, E. Carvou, J.L. Le Garrec, J. Pérez, J. Praquin, M. Djeddi and J.B.A. Mitchell, AIP
Advances 3 (2013) 032139
[2] Characteristics of arcs between porous carbon electrodes,
E. Carvou, J.L. Le Garrec, J. B.A. Mitchell, IEEE Transactions on Plasma Science, 41 (2013)
3151
[3] Particle Size Determination in Electrical Arcs using X-Ray Scattering
E. Carvou, J.L. Le Garrec, E. Yee Kin Choi and J.B.A. Mitchell in Proceedings of 59th Holm
Conf. (2013), p. 268.
Titre: Fonctionnalisation de la surface de nanopoudres de NiFe2O4 par plasma inductif
Auteurs: Samuel Bastien1, Christian Ricolleau2 et Nadi Braidy1
1: Département de génie chimique et biotechnologique, Université de Sherbrooke. 2500 Boul. de
l'Université, Sherbrooke, Québec, Canada, J1H 2R1.
2: Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, CNRS-UMR 7162, Université Paris Diderot - Paris
7, Case Courrier 7021, 75205 Paris Cedex 13, France.
Dans cette étude, nous explorons en détail la synthèse de nanopoudres de ferrite de nickel (NixFe3-xO4)
en injectant une solution de nitrates de fer et de nickel dans un plasma inductif. En contrôlant la
quantité relative de fer et nickel dans la solution mère [1], la composition des poudres est modifiée, en
accordance avec le diagramme de phase du Ni/Fe/O [2]: une phase unique de ferrite de nickel est
obtenue lorsque le ratio Ni/Fe < 1/2, tandis qu'une seconde phase de (Ni,Fe)O est présente pour un
ratio Ni/Fe > 1/2. Une étude avancée sur ces poudres par microscopie électronique en transmission
couplée à la spectroscopie électronique en perte d’énergie des électrons démontre qu'il y a une
ségrégation préférentielle de la phase (Ni,Fe)O selon les facettes exposées du NiFe2O4, et que la
proportion de ces deux phases peut également être contrôlée. Ainsi, nous démontrons qu'il est possible
d'utiliser le plasma inductif pour fonctionnaliser la surface des poudres de ferrite de nickel, en vue
notamment pour des applications catalytiques et magnétiques.
[1] S. Bastien and N. Braidy. J. Appl. Phys. 114 (2013), p. 214303
[2] M.A. Rhamdhani et al, Metall. Mater. Trans. B. 39 B (2008), p. 690.
First principles study of Bi2FeCrO6 epitaxial thin films grown by PLD
Liliana Braescu1,2,3, Fançois Vidal1, Alain Pignolet1
1Institut
National de la Recherche Scientifique – Centre Énergie, Matériaux, Télécommunications,
1650 Boulevard Lionel-Boulet, Varennes, J3X 1S2, Québec, Canada
2Department of Computer Science, West University of Timisoara, Romania
3Radiological Technologies University-VT, Indiana, USA
The deposition technique based on laser-matter interaction at high temperatures, also called pulsed laser
deposition (PLD), enables the synthesis of chemically and structurally complex materials onto substrates. In
particular, PLD is used to grow heterostructures of complex multicomponent oxides in moderate oxygen pressure.
For application in integrated sensors or devices, functional materials are used in the form of thin films.
Ferroelectricity and many other properties of multiferroic materials, such as the magnetocrystalline anisotropy, are
strongly related to the material crystal structure. Because fundamental physics of multiferroic materials is rich,
theoretical studies are of great importance, since is extremely difficult to understand the intrinsic material
properties using only experimental data.
Bi-based double perovskites are currently the subject of extensive research. Recently, the thickness variation of
the multiferroic properties of Bi2FeCrO6 (BFCO) epitaxial thin films have been reported and attributed to the
thickness dependence of the Fe/Cr cationic order, itself related to bonds distances and angles induced by epitaxial
strains [1]. Theoretical studies are further needed to reveal the details of the mechanisms leading to the Fe/Cr
cation ordering during the film PLD-growth as well as to explain the origin of the critical thickness observed
experimentally.
In order to complement the experimental studies, the electronic structure and magnetic properties of the BFCO are
investigated by first-principles density functional theory calculations that start directly from fundamental law of
physics.
Investigations are made for the different possible high spin and low spin configurations, namely ferromagnetic, or
ferrimagnetic spin arrangements. The existence of four competing phases with distinct electronic and magnetic
properties [2] is proved for an elementary cell of 10 atoms (rhombohedral phase R3).
The corresponding spin arrangements are also studied in the case of an 80-atoms cell that is compatible with the
structural distortions that characterize the low-symmetry phases of BFCO. Results show the importance of the
choice of the simulation cell for determining the BFCO properties.
[1] R. Nechache, C. Harnagea and A. Pignolet, J. Phys.: Condensed Matter 24, 096001 (2012).
[2] M. Goffinet, J. Iniguez and P. Ghosez, Physical Review B 86, 024415 (2012).
VO2-based variable-emittance coatings: An important progress
towards energy-efficient smart radiators for nano-satellites
Ali Hendaoui1, Nicolas Émond1, Mohamed Chaker1 and Émile Haddad2
1
INRS-Énergie, Matériaux et Télécommunications, 1650 Boulevard Lionel Boulet, Varennes, Québec J3X-1S2,
Canada
2
MPB Communications Inc., 151 Hymus Boulevard; Pointe Claire, Québec, H9R-1E9, Canada
Thermal Control systems (TCS) that are energy-efficient, small and light-weight and are crucial
for the fabrication of nano-satellites, not only because these satellites are vulnerable to the abrupt
temperature fluctuations in orbit due to their low thermal capacitance, but also because of the
limitations on their mass (1 – 10 kg) and electrical power. Among the TCS subsystems, a variableemittance radiator is required on the outside of the satellite to reject waste heat generated inside
the satellite. One method worth exploiting for radiator application is covering the external surface
of the satellite with variable-emittance coatings that would present low solar absorptance α to
prevent overheating when exposed to the solar radiation, low emittance (εL) at lower
temperatures to better keep heat, and high emittance (εH) at high temperatures to release the
additional unwanted heat. An efficient variable-emittance coating for radiator application would
display as low as possible solar absorptance α to decrease its heat load due to the solar radiation,
as large as possible positive emittance modulation ∆ε, defined as ∆ε = [high temperature
emittance (εH) - low temperature emittance εL], as high as possible an emittance for the high
temperature εH and emittance transition near room temperature.
In this perspective, our paper reports on a new type of high-performance variable-emittance
coatings based on thermochromic vanadium dioxide (VO2) thin films. The coatings were first
designed using optical software and further fabricated using different thin films deposition
techniques, including RF magnetron sputtering, plasma-enhanced chemical vapor deposition and
reactive pulsed laser deposition. The fabricated coatings present low solar absorptance (α ~ 0.3),
large tunability of the emittance (∆ε ~ 0.43), and high emittance values at high temperature (εH ~
0.8) in a good agreement with the simulation. Furthermore, through an appropriate choice of the
tungsten-doping level of VO2, the transition temperature of the VO2-based variable-emittance
coatings was decreased close to room temperature. We also emphasize the fact that these VO2based coatings are very light (~5g/m2). These achievements represent an impressive progress
towards the development of smart radiators for a passive, energy-efficient and light-weight
thermal control of nano-satellites.
Spectroscopic diagnostic of microwave plasma at atmospheric pressure
applied to the growth of nanopowders
R K Gangwar, L Stafford
Département de Physique, Université de Montréal, Montréal (Québec) H3C 3J7, Canada
ABSTRACT
The plasmas at atmospheric pressure have unique properties and showed tremendous potential for
various technological applications such as material processing (deposition, etching), spectrochemistry,
waste treatment and bio-medical applications. We recently studied the dielectric barrier discharge (DBD)
He plasmas applied to the functionalization of wood substrates using optical emission spectroscopy
(OES) and collisional radiative models (CRM) [1]. In the present paper we have extended our studies on
surface wave sustained (SWD) Ar plasmas in microwave regime, applied to the growth of organosilicon
and organotitanium nanopowders, which received serious attentions for these kinds of application [2].
Being non-invasive, these approaches are very promising and popular. The SWD has flexibility of
sustaining over both the RF and microwave domains, without the significant modifications in the
electromagnetic field configuration. Furthermore, it offers a very good platform for detailed parametric
fundamental studies of the growth kinetics and transport dynamics of nanoparticles in dusty plasmas at
atmospheric-pressure. The accurate characterization of these plasmas will surely further improve these
applications and the understanding of underlying physics. Plasma emissions in the wavelength range 200-900nm was recorded at various positions along
the direction of propagation of wave. A collisional-radiative (CR) model was developed for Ar 2p
(Paschen notation) levels assuming the electron-impact excitations from lower levels as well as energy
transfer processes among the 2p manifolds. The electron temperature was determined by comparing the
2pj  1si line emissions with the prediction of the model assuming Te as the only adjustable parameter.
Further, the temperature profile was also extracted through fitting of the continuum emission in 400 to
700nm range with the prediction of a theoretical model developed considering various electron-atom and
electron-ion processes. Due to low ionization ratio (~10-6), only the former was found to contribute
significantly. In addition to these, using Boltzmann plots for the lines originating from higher lying levels
(above 2p) the electron temperature was also obtained. The temperatures determined using various
approaches were found in good agreement with each other and observed constant over the axial distances
with a value ~0.45±0.04eV. Furthermore, we extended our studies on Ar SWD plasma in the presence of
organosilicon and organotitanium precursors used for the growth of nanomaterial. The OES analysis
revealed a grater precursor dissociation rate compare to the low frequency operated plasmas such as
DBD, leading to the formation of powders with much lower precursor concentration fractions. The
fragmentation level was observed to decrease with the plasma treatment time due to combined effect of
decrease in total number of electrons as well as average electron energy.
References:
1. Gangwar, R.K., et al. Spectroscopic diagnostic of atmospheric-pressure He dielectric barrier discharges applied
to the functionalization of wood surfaces. in 31st ICPIG. 2013. Granada, Spain.
2. Kilicaslan A, et al Optical emission spectroscopy of microwave-plasmas at atmospheric pressure applied to the
growth of organosilicon and organotitanium nanopowders, J Appl Phy 115 113301(2014).
Synthèse de nanotubes de carbone monoparoi par ablation laser KrF pour des applications
photovoltaïques.
V. Le Borgne, L. A. Gautier, M. A. El Khakani.
Instititut National de la Recherche Scientifique – ÉMT. 1650 Lionel-Boulet, Varennes, Canada, J3X 1S2
La synthèse de nanotubes de carbone monoparoi (NTCSP) a été étudiée et optimisée pour le
développement de dispositifs photovoltaïques hybrides de type NTCSPs/n-Si. Les NTCSPs de
haute qualité ont été synthétisés par une méthode par plasma d’ablation laser, une méthode qui
est réputée pour produire des NTCSPs avec une faible concentration de catalyseur et une haute
cristallinité. Cette méthode consiste à faire l’ablation d’une cible de graphite chargée d’un
catalyseur métallique (Co/Ni) par un faisceau laser KrF (20 ns, 150 mJ, 40 Hz). La cible est
placée dans un réacteur sous une atmosphère d’argon à haute température où un débit de gaz
emporte les espèces « ablatées » vers un collecteur refroidi à l’eau. Une optimisation des
paramètres de croissance (température de synthèse, concentration de catalyseur) et une étude
systématique des NTCSPs (spectroscopie Raman, absorption UV-Vis et microscopie
électronique) ont permis d’établir les paramètres nécessaires à une production de NTCSPs avec
un diamètre moyen de 1.3 nm en utilisant une concentration de catalyseur de 1.2% et une
température de synthèse de 1150 °C. À partir des observations effectuées au cours de
l’optimisation de la synthèse des NTCSPS un modèle de croissance des NTCSPs produits pas
ablation laser KrF est proposé.
Dans le but de les intégrer dans des dispositifs photovoltaïques hybrides de type NTCSPs/n-Si,
les NTCSPs produits par ablation laser KrF sont déposés sous forme de films minces par une
méthode de buse à pression (« spray coating »). Cette méthode consiste à suspendre les NTCSPs
purifiés dans une solution de di-méthyl-formamide (DMF) à 0.1 mg/ml et à asperger celle-ci sur
des substrats maintenus à une température qui favorise l’évaporation du solvant. Les paramètres
optiques et électriques de ces films ont été systématiquement mesurés et combinés en une figure
de mérite (FdM). Nous faisons la démonstration que la FdM est corrélée avec les propriétés
photovoltaïques des dispositifs NTCSPs/n-Si, montrant une croissance de 15 % de l’EQE et de 2
% de l’ECP par ordre de grandeur de la FdM. De plus, en utilisant le FdM comme outil
d’optimisation, des efficacités quantiques externes (EQE) de 55 % ont été atteintes, de même que
des efficacités de conversion (ECP) de l’ordre de 4 %. Des traitements post-fabrication,
notamment par le dépôts de nanoparticules par ablation laser KrF, permettent d’augmenter
davantage les propriétés photovoltaïques de ces dispositifs. L’ensemble de ces résultats démontre
le potentiel important des NTCSPs dans les applications photovoltaïques.
Plasma processing of electro-optic CaxBa1-xNb2O6 material: A gateway to next generation
green photonics technology
N. Hossain1, S. Vigne1, F. Fesharaki2, S. Delprat1, K. Wu2, J. Margot3 and M. Chaker1
1
INRS-EMT, Canada
Poly-Grames Research Center, Ecole Polytechnique de Montreal, Canada
3
Département de Physique, Universite de Montreal, Canada
2
The issue of huge power consumption by optical devices is being addressed by the optical
communications industry. Most of this power is consumed by the active cooling components,
which are integrated with the optical devices for thermally stable operation. Calcium-barium
niobate (CaxBa1-xNb2O6, CBN) in the form of thin films is a very promising electro-optic (EO)
material for the development of high performance, thermally stable and uncooled EO modulators
as a part of energy efficient green photonics technology, thanks to its high Curie temperature
above 250 °C and EO coefficient of 130 pm/V. However, before successful integration of CBN
with the desired device performance, its optical properties and their correlation with the device
design parameters need to be carefully assessed. In this work, we report on the design,
fabrication and optical properties of CBN thin-film waveguide structures as a building block of
CBN-based EO modulators.
The waveguide structure was designed and simulated on Optiwave and BPM solver for different
CBN thin film thickness, waveguide depth and width in order to identify the conditions for
which propagation is single mode and losses minimized. Waveguides are fabricated using CBN
thin films deposited epitaxially on (001) MgO by pulsed laser deposition and patterned using
high-density plasma etching in a PlasmaLab ICP380 System 1000 from Oxford Instruments. An
original etching method in Cl2 plasma at 1 mTorr with a power of 1000W power was employed.
Using a nickel hard mask at high substrate temperature at 275 0C, we were able to fabricate
smooth and nearly vertical etching of waveguide side walls. The fabricated waveguides were
characterized using the Metricon prism coupler (Model 2010/M) system. They exhibit single
mode propagation and low loss performances in good agreement with the simulations. Based on
the high quality of deposited CBN thin films and on the high degree of optimization achieved for
the fabrication of the waveguide structures, there is clearly a great potential for the conception of
high performance, thermally stable and uncooled EO modulators.
La Fusion Nucléaire: Où en sommes-nous?
Réjean L. Boivin
General Atomics
La réalisation de la fusion nucléaire controllée comme source d'énergie a été au centre de
multiples efforts à travers le monde. Les résultats obtenus jusqu'à présent demeurent
prometteurs, malgré les nombreux défis rencontrés, autant au point de vue de la physique
du processus que de la technologie. La prochaine étape consiste à réaliser les conditions
nécessaires pour une fusion avec gain net d'énergie, et soutenue pour de longues durées.
Le projet ITER, présentement en construction en France, a pour but de remplir ces
conditions et de démontrer scientifiquement le potentiel de la fusion. Les défis à remplir,
et les derniers résultats obtenus à travers le monde seront présentés avec une attention
particulière sur les résultats obtenus dans le tokamak DIII-D, présentement en fonction à
San Diego, USA.