L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone. / The purpose of this master thesis is to characterize the axial distribution of tubular discharges at atmospheric pressure sustained by electromagnetic surface wave and to explore their potential for materials and nanomaterials synthesis. A previous doctoral thesis, aimed at determining the mechanisms driving radial plasma contraction in rare gas discharges shed light on a yet unknown phenomenon occurring in surface wave discharges (SWD). As a matter of fact, increasing the power injected into the system leads to a change of the axial distribution of the discharge, in sharp contrast with the behavior commonly observed in reduced-pressure plasmas. In this context, we have performed a parametric investigation of atmospheric pressure SWD sustained in Ar gas. Based on our axially-resolved measurements of the electron density, excitation temperature, and number density of Ar atoms in metastable state (Ar 3P2), we found that the peculiar change of the axial distribution of the light intensity with power is not linked to a modification in the discharge kinetics (linked to the electron temperature and metastable number density) but rather to an anomalous power deposition (linked to the electron density). More specifically, such anomalous power deposition can be attributed to a wave reflection in the high gradient of charged particle densities near the end of the plasma column; a behavior that is more apparent in short plasma columns. Then, we have realized a parametric investigation of the discharge with the addition of organic precursors. Particularly, we used HMDSO for organo-silicon material synthesis and TTIP for organo-titanium material synthesis. It is found that because SWD are characterized by high charged particle densities (>10^13 cm^-3), higher precursor dissociation rates can be achieved with respect to other cold, atmospheric-pressure plasmas such as low-density dielectric barrier discharges. In this case, powder-like nanomaterials with sizes below 100 nm are obtained. Moreover, the addition of small amounts of oxygen into the discharge leads to the formation of round-like silicon oxide or titanium oxide nanoparticles.

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer et de caractériser diverses sources de neutres réactifs destinées à des études fondamentales des interactions plasmas-surfaces. Ce projet s’inscrit dans le cadre d’une vaste étude de la physique des interactions plasmas-parois mises en jeu dans les procédés de gravure par plasma des matériaux de pointe. Une revue de la littérature scientifique sur les diverses méthodes permettant de générer des faisceaux de neutres réactifs nous a permis de sélectionner deux types de sources. La première, une source pyrolitique, a été caractérisée par spectrométrie de masse en utilisant le C2F6 comme molécule mère. Nous avons montré que le C2F6 était dissocié à plus de 90% à 1000ºC et qu’il formait du CF4, lui-même dissocié en CF2 vers 900ºC. Ces résultats ont été validés à l’aide d’un modèle basé sur des calculs d’équilibres chimiques, qui a aussi prédit la formation de F à 1500ºC. La seconde source, un plasma entretenu par une onde électromagnétique de surfaces, a été caractérisée par spectroscopie optique d’émission et par interférométrie haute fréquence. Dans le cas du plasma d’argon créé par un champ électromagnétique (>GHz), nos travaux ont révélé une distribution en énergie des électrons à trois températures avec Te-low>Te-high<Te-tail. Nous avons conclu que la formation d’électrons suprathermiques était liée à la génération d’instabilités de plasma au point de résonance au voisinage des parois du réacteur et à des mécanismes d’amortissement de ces instabilités de type Landau. Le même phénomène a été observé dans le plasma de Cl2, mais cet effet disparaissait pour des pressions élevées du au fait de l’amortissement collisionnel. Nous avons aussi montré que ces sources pouvaient conduire à des degrés de dissociation du Cl2 près de 100%. / The goal of this Master thesis goal is to develop and characterize different sources of reactive neutrals aimed at fundamental studies of plasma-surface interactions. This project is part of a broader study on the physics driving plasma-wall interactions during plasma etching of advanced materials. Following our literature review of the various approaches used to generate radical beams, we have selected two types of sources. The first one, a thermal cracker, was characterized by line-of-sight mass spectrometry using C2F6 as the mother. We have shown that more than 90% of the C2F6 was dissociated at 1000ºC, producing CF4 that dissociates into CF2 at temperatures close to 900ºC. These results were in good agreement with the predictions of a model based on chemical equilibrium calculations, which also predicted the formation of F radicals at 1500 ºC. The second source, a surface-wave plasma, was characterised by optical emission spectroscopy and microwave interferometry. For a high-frequency (>1GHz) argon plasmas, we have shown a three temperature electron energy distribution function with Te-low>Te-high<Te-tail. We have concluded that the formation of suprathermal electrons was linked to the generation of plasma instabilities at the resonance point near the chamber walls, and to Landau damping of these instabilities. The same phenomenon was observed in Cl2 plasma, but this effect vanished at high pressures because of collisional damping. We have shown that this type of source could produce near 100% dissociation of Cl2, depending on operating conditions.

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone. / The purpose of this master thesis is to characterize the axial distribution of tubular discharges at atmospheric pressure sustained by electromagnetic surface wave and to explore their potential for materials and nanomaterials synthesis. A previous doctoral thesis, aimed at determining the mechanisms driving radial plasma contraction in rare gas discharges shed light on a yet unknown phenomenon occurring in surface wave discharges (SWD). As a matter of fact, increasing the power injected into the system leads to a change of the axial distribution of the discharge, in sharp contrast with the behavior commonly observed in reduced-pressure plasmas. In this context, we have performed a parametric investigation of atmospheric pressure SWD sustained in Ar gas. Based on our axially-resolved measurements of the electron density, excitation temperature, and number density of Ar atoms in metastable state (Ar 3P2), we found that the peculiar change of the axial distribution of the light intensity with power is not linked to a modification in the discharge kinetics (linked to the electron temperature and metastable number density) but rather to an anomalous power deposition (linked to the electron density). More specifically, such anomalous power deposition can be attributed to a wave reflection in the high gradient of charged particle densities near the end of the plasma column; a behavior that is more apparent in short plasma columns. Then, we have realized a parametric investigation of the discharge with the addition of organic precursors. Particularly, we used HMDSO for organo-silicon material synthesis and TTIP for organo-titanium material synthesis. It is found that because SWD are characterized by high charged particle densities (>10^13 cm^-3), higher precursor dissociation rates can be achieved with respect to other cold, atmospheric-pressure plasmas such as low-density dielectric barrier discharges. In this case, powder-like nanomaterials with sizes below 100 nm are obtained. Moreover, the addition of small amounts of oxygen into the discharge leads to the formation of round-like silicon oxide or titanium oxide nanoparticles.

Le but de cette thèse était d’étudier la dynamique de croissance par pulvérisation par plasma RF magnétron des couches minces à base d’oxyde de zinc destinées à des applications électroniques, optoélectroniques et photoniques de pointe. Dans ce contexte, nous avons mis au point plusieurs diagnostics permettant de caractériser les espèces neutres et chargées dans ce type de plasmas, notamment la sonde électrostatique, la spectroscopie optique d’émission et d’absorption, ainsi que la spectrométrie de masse. Par la suite, nous avons tenté de corréler certaines caractéristiques physiques de croissance des couches de ZnO, en particulier la vitesse de dépôt, aux propriétés fondamentales du plasma. Nos résultats ont montré que l’éjection d’atomes de Zn, In et O au cours de la pulvérisation RF magnétron de cibles de Zn, ZnO et In2O3 n’influence que très peu la densité d’ions positifs (et donc la densité d’électrons en supposant la quasi-neutralité) ainsi que la fonction de distribution en énergie des électrons (populations de basse et haute énergie). Cependant, le rapport entre la densité d’atomes d’argon métastables (3P2) sur la densité électronique décroît lorsque la densité d’atomes de Zn augmente, un effet pouvant être attribué à l’ionisation des atomes de Zn par effet Penning. De plus, dans les conditions opératoires étudiées (plasmas de basse pression, < 100 mTorr), la thermalisation des atomes pulvérisés par collisions avec les atomes en phase gazeuse demeure incomplète. Nous avons montré que l’une des conséquences de ce résultat est la présence d’ions Zn+ suprathermiques près du substrat. Finalement, nous avons corrélé la quantité d’atomes de Zn pulvérisés déterminée par spectroscopie d’émission avec la vitesse de dépôt d’une couche mince de ZnO mesurée par ellipsométrie spectroscopique. Ces travaux ont permis de mettre en évidence que ce sont majoritairement les atomes de Zn (et non les espèces excitées et/ou ioniques) qui gouvernent la dynamique de croissance par pulvérisation RF magnétron des couches minces de ZnO. / The goal of this thesis was to study the growth dynamics of zinc oxide based thin films by RF magnetron sputtering plasmas for advanced electronic, optoelectronic, and photonic applications. In this context, we have developed several diagnostics to characterize neutral and charged species in such plasmas, in particular electrostatic probe, optical emission and absorption spectroscopy, as well as plasma sampling mass spectrometry. Afterward, we have tried to correlate specific physical characteristics of as-grown ZnO thin films, in particular the deposition rate, to fundamental plasma properties. Our results have shown that the ejection of Zn, In and O atoms during the RF magnetron sputtering of Zn, ZnO and In2O3 targets does not significantly influence the number density of positive ions (and thus the electron density assuming quasi-neutrality) as well as the electron energy distribution function (populations of low and high energy). However, the ratio of the number density of metastable argon atoms (3P2) to the electron density decreases with increasing concentration Zn atoms; a feature that can be ascribed to Penning ionization of RF sputtered Zn atoms. Furthermore, over the range operating conditions examined in this study (low-pressure plasmas), the thermalization of sputtered atoms by collisions with atoms in the gas phase remains incomplete. We have shown that one of the consequences of this result is the presence of suprathermic Zn+ ions near the target. Finally, we have correlated the quantity of sputtered Zn atoms determined by optical emission spectroscopy with the deposition rate of ZnO thin films measured by spectroscopic ellipsometry. This set of data lead us to the conclusion that mainly Zn atoms (and not excited and/or ionic Zn species) govern the growth dynamic of ZnO-based thin films during magnetron sputtering in argon RF plasmas.

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Notre thèse s’inscrit dans le cadre de la compréhension des mécanismes d’inactivation de microorganismes, principalement des spores bactériennes, suite à un traitement à l’ozone. Les objectifs généraux, au départ, étaient de mettre en place une stratégie expérimentale dans le but de déterminer les espèces et les phénomènes impliqués dans les mécanismes d’inactivation des spores en combinant diverses techniques pluridisciplinaires. Rappelons que les récentes avancées en stérilisation par plasma sont principalement dues aux études menées sur les mécanismes d’inactivation des microorganismes. Dans ce contexte, en nous appuyant sur une synthèse des études publiées dans la littérature scientifique, nous avons élaboré une étude expérimentale en deux étapes : l’étude de la stérilisation à l’ozone en milieu sec puis en milieu humide. Au cours de ces études, nous avons principalement étudié la cinétique d’inactivation des microorganismes, les dommages occasionnés à ces derniers par de tels traitements et nous avons identifié les espèces responsables de l’inactivation pour, enfin, proposer un mécanisme d’inactivation en spécifiant le rôle et l’importance des différents phénomènes en jeu. L’originalité de notre approche s’appuie sur la corrélation faite entre ces deux types de traitement (ozone sec et humidifié) ainsi que la diversité et la complémentarité des moyens de caractérisation utilisés. Dans un second volet, nous avons mis en évidence pour la première fois la possibilité de conférer à une surface de Pétri de polystyrène (PS) une importante activité biocide suite à un traitement à l’ozone. Nous avons mené une étude de caractérisation des propriétés de ces surfaces démontrant, principalement, leur grande efficacité biocide sur une large gamme de microorganismes, l’importance de l’interaction microorganismes/surface traitée, l’existence de la rémanence biocide, les modifications physico-chimiques induites en surface… L’étude des modifications physico-chimiques et microbiologiques nous a permis d’approcher les mécanismes d’inactivation en identifiant, de manière non exhaustive, les phénomènes impliqués. Enfin, nous avons examiné l’applicabilité de cette méthode à divers types de polymères montrant que le degré d’activité biocide induite dépend de la nature du substrat. / The thesis deals with the inactivation mechanisms of microorganisms (mainly endospores) after an ozone treatment. The general objective of this work was to provide an experimental strategy to identify the phenomena and chemical species involved in microorganism inactivation mechanism using multidisciplinary techniques. Recall that the recent advances in plasma sterilization are mainly due to comprehensive studies dealing with the inactivation mechanisms of microorganisms. In this context, based on a review of published studies, we proposed a two-step experimental study of ozone sterilization in both dry and humid media. In the course of this work, we have examined the inactivation kinetics of some microorganisms, their damage after treatments; we have also identified the chemical species responsible for inactivation, and proposed an inactivation mechanism (for each type of ozone treatment) by describing the importance and role of the different implicated phenomena. The originality of our approach rests on the correlation achieved between the dry and humid ozone treatment, and by the diversity and complementarity of the characterization techniques used. In a second part, we show for the first time the possibility to confer biocide activity to surfaces of polystyrene (PS) Petri dishes after their exposure to ozone. A characterization study of these treated surfaces mainly shows a high inactivation efficacy on various microorganisms, the importance of the microorganisms/treated-surface interaction, the biocide persistence of the treated surfaces and physico-chemical modifications. The study on physico-chemical and microbiological changes gives us elements for identifying the phenomena involved in the inactivation mechanisms. Finally, we have shown the possibility to confer biocide properties to polymeric surfaces in general with the same experimental process observing that the biocide efficacy depends on the nature of the polymer. / Une partie du travail a mené a un dépôt de brevet.

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer et de caractériser diverses sources de neutres réactifs destinées à des études fondamentales des interactions plasmas-surfaces. Ce projet s’inscrit dans le cadre d’une vaste étude de la physique des interactions plasmas-parois mises en jeu dans les procédés de gravure par plasma des matériaux de pointe. Une revue de la littérature scientifique sur les diverses méthodes permettant de générer des faisceaux de neutres réactifs nous a permis de sélectionner deux types de sources. La première, une source pyrolitique, a été caractérisée par spectrométrie de masse en utilisant le C2F6 comme molécule mère. Nous avons montré que le C2F6 était dissocié à plus de 90% à 1000ºC et qu’il formait du CF4, lui-même dissocié en CF2 vers 900ºC. Ces résultats ont été validés à l’aide d’un modèle basé sur des calculs d’équilibres chimiques, qui a aussi prédit la formation de F à 1500ºC. La seconde source, un plasma entretenu par une onde électromagnétique de surfaces, a été caractérisée par spectroscopie optique d’émission et par interférométrie haute fréquence. Dans le cas du plasma d’argon créé par un champ électromagnétique (>GHz), nos travaux ont révélé une distribution en énergie des électrons à trois températures avec Te-low>Te-high<Te-tail. Nous avons conclu que la formation d’électrons suprathermiques était liée à la génération d’instabilités de plasma au point de résonance au voisinage des parois du réacteur et à des mécanismes d’amortissement de ces instabilités de type Landau. Le même phénomène a été observé dans le plasma de Cl2, mais cet effet disparaissait pour des pressions élevées du au fait de l’amortissement collisionnel. Nous avons aussi montré que ces sources pouvaient conduire à des degrés de dissociation du Cl2 près de 100%. / The goal of this Master thesis goal is to develop and characterize different sources of reactive neutrals aimed at fundamental studies of plasma-surface interactions. This project is part of a broader study on the physics driving plasma-wall interactions during plasma etching of advanced materials. Following our literature review of the various approaches used to generate radical beams, we have selected two types of sources. The first one, a thermal cracker, was characterized by line-of-sight mass spectrometry using C2F6 as the mother. We have shown that more than 90% of the C2F6 was dissociated at 1000ºC, producing CF4 that dissociates into CF2 at temperatures close to 900ºC. These results were in good agreement with the predictions of a model based on chemical equilibrium calculations, which also predicted the formation of F radicals at 1500 ºC. The second source, a surface-wave plasma, was characterised by optical emission spectroscopy and microwave interferometry. For a high-frequency (>1GHz) argon plasmas, we have shown a three temperature electron energy distribution function with Te-low>Te-high<Te-tail. We have concluded that the formation of suprathermal electrons was linked to the generation of plasma instabilities at the resonance point near the chamber walls, and to Landau damping of these instabilities. The same phenomenon was observed in Cl2 plasma, but this effect vanished at high pressures because of collisional damping. We have shown that this type of source could produce near 100% dissociation of Cl2, depending on operating conditions.

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