Novel carbon materials such as carbon onions, nanotubes and amorphous carbon (a-C) are technologically important due to their useful properties. Normally synthesised using plasmas, their growth mechanisms are not yet fully understood. For example, the growth mechanism of the high density phase of a-C, tetrahedral amorphous carbon (ta-C), has been a subject of debate ever since its discovery. The growth mechanism of carbon nanostructures such as carbon onions and nanotubes is also not well known. The aim of this thesis is two-fold. Firstly, to provide insight into the growth of carbon films, in particular, the driving force behind the formation of diamond-like bonding in a-C which leads to ta-C. Secondly, to investigate the growth of carbon onions and other sp2 bonded carbon nanostructures such as nanotubes. To achieve the first aim, carbon thin films were deposited using cathodic arc deposition at a range of ion energies, substrate temperatures and Ar background gas pressures. These films were characterised using electron microscopy techniques to examine their microstructure, density and sp3 content. It was found that the formation of the ta-C is due to a stress-induced transition whereby a critical stress of 6.5±1.5 GPa is needed to change the phase of the film from highly sp2 to highly sp3. Within this region, a preferentially oriented phase with graphitic sheets aligned perpendicular to the substrate surface was found. By investigating the role of elevated temperatures, the ion energy-temperature

Chemical Mechanical Planarization (CMP) has emerged as the central technology for polishing wafers in the semiconductor manufacturing industry to make integrated multi-level devices. As the name suggests, both chemical and mechanical processes work simultaneously to achieve local and global planarization. In spite of extensive work done to understand the various components and parameters affecting the performance of this process, many aspects of CMP remain poorly understood. Among these aspects of CMP is the role of abrasives in the processes of conditioning and polishing. These abrasives are present in the chemical slurry between the wafer and the pad for polishing and play an important role during the conditioning to regenerate the clogged polishing pads. This thesis has focused on the study of abrasives, both in conditioning and polishing. The first part of the thesis concentrates on the effect of abrasive size for conditioning purposes. Diamond is being widely used as an abrasive for conditioning the polishing pad. Five different sizes of diamonds ranging from 0.25µm to 100µm were selected to condition the commercially available IC 1000 polishing pad. Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM) analysis were carried out on the pad to study the effect of the abrasive size on the pad morphology. In-situ 'coefficient of friction' was also monitored on the CETR bench top Tester. The final impact was seen in the form of surface defects on the polished copper wafers. As pad morphologies resulting from different conditioning affect contact areas, the second part of the thesis focuses on developing a simple method to quantify the area of contact between the wafer and pad using optical microscopy. Optical images that were obtained were analyzed for the change in contact area with the change in operating conditions. Finally, the third part of the thesis details the synthesis and characterization of nano-zirconia for potential slurry applications. Nano-zirconia was synthesized using the plasma route and then characterized using different analytical techniques like TEM and XRD. These nanoparticles were then used to make abrasive slurry for oxide CMP and the polished wafers were analyzed for surface defects.

A study was carried out on the selection of processing condition that would yield Mg-Ti with most favourable hydrogenation properties. Processing routes under consideration were / mechanical milling under inert atmosphere, reactive milling i.e. milling under hydrogen atmosphere, ECAP (equal channel angular pressing) and thermal plasma synthesis. Structure resulting from each of these processing routes was characterized with respect to size reduction, coherently diffracting volume and the distribution of Ti catalyst. Mechanical milling yielded a particulate structure made up of large Mg agglomerates with embedded Ti fragments with a uniform distribution. Mg agglomerates have sizes larger than 100 &micro / m which arises as a result of a balance between cold welding process and ductile fracture. Repeated folding of Mg particles entraps Ti fragments inside the Mg agglomerates resulting in a very uniform distribution. Coherently diffracting volumes measured by X-ray Rietveld analysis have small sizes ca. 26 nm which implies that the agglomerates typically comprise 1011 crystallites. Mechanical milling under hydrogen, i.e. reactive milling, led to drastic reduction in particle size. Mg and Ti convert to MgH2 and TiH2 which are milled efficiently due to their brittleness resulting in particle sizes of sub-micron range. Hydrogenation experiments carried out on Mg-10 vol % Ti milled under argon yields enthalpy and entropy values of -76.74 kJ/mol-H2 and -138.64 J/K.mol-H2 for absorption and 66.54 kJ/mol H2 and 120.12 J/K.mol H2 for desorption, respectively. For 1 bar of hydrogen pressure, this corresponds to a hydrogen release temperature of 280 &deg / C. This value is not far off the lowest desorption temperature reported for powder processed Mg based alloys. ECAP processing is a bulk process where the powders, consolidated in the first pass, have limited contact with atmosphere. This process which can be repeated many times lead to structural evolution similar to that of milling, but for efficient mixing of phases it was necessary to employ multi-pass deformation. An advantage of ECAP deformation is strain hardening of the consolidated powders which has improved milling ability. Based on this, a new route was proposed for the processing of ductile hydrogen storage alloys. This involves several passes of ECAP deformation carried out in open atmosphere and a final milling operation of short duration under inert atmosphere. The plasma processing yields Mg particles of extremely small size. Evaporation of Mg-Ti powder mixture and the subsequent condensation process yield Mg particles which are less than 100 nm. Ti particles, under the current experimental condition used, have irregular size distribution but some could be quite small, i.e. in the order of a few tens of nanometers. Of the four processing routes, it was concluded that both reactive milling and thermal plasma processing are well suited for the production of hydrogen storage alloys. Reactive milling yield particles in submicron range and plasma processing seems to be capable of yielding nanosize Mg particles which, potentially, could be decorated with even smaller Ti particles.

Ce travail met en évidence le potentiel que la technologie des plasmas présente dans l’élaboration, en une seule étape, des catalyseurs de la synthèse Fischer-Tropsch (SFT), alors que les méthodes habituelles ou conventionnelles comme l’imprégnation et la précipitation sont des voies de production multi-étapes du matériau catalytique. Les nouveaux catalyseurs ont été mis en œuvre à partir d’espèces monométalliques ayant comme support le carbone (Fe/C, Co/C) pour développer des bimétalliques (Co-Fe), des ternaires (Mo-Co-Fe, Ni-Co-Fe) qui ont été ensuite formulés avec la présence de promoteurs (Au/Ni-Co-Fe). Du fait que la préparation par plasma thermique de ces catalyseurs nanométriques supportés par le carbone soit relativement récente, cela permet d’envisager des perspectives d’applications avec des retombées industrielles, car les hautes températures caractéristiques des plasmas permettent de générer des carbures de fer (Fe3C, Fe5C2) très importants dans le processus catalytique de SFT. Des efforts de quantification de toutes les phases de carbures ont été effectués à l’aide de la diffraction des rayons X (DRX), tandis que l’analyse quantitative à l’aide du Rietveld (AQR) n’a été que partiellement concluante à cause de la taille nanométrique des matériaux étudiés qui est en dessous des limites de détection instrumental. Avec des aires spécifiques de BET comprises entre 35 et 93 m2.g-1, les catalyseurs sont typiques de matériaux poreux et présentent ainsi un avantage pour la SFT car les transformations réactionnelles ne sont pas limitées par les phénomènes de transfert de masse. La microscopie électronique à transmission (MET) et la microscopie électronique à balayage (MEB) couplées avec la Spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX) et la cartographie des rayons X (cartographie X) ont montré une grande dispersion des particules métalliques dans la matrice de carbone, indiquant ainsi l’absence d’agglomération sur les échantillons frais et post réactionnels. Les caractérisations par la spectroscopie Raman et la Spectroscopie photoélectronique par rayon X (XPS) ont mis en évidence un support de catalyseur essentiellement graphitique. Les analyses par la spectroscopie d’absorption des rayons X (SAX), par la spectroscopie de structure près du front d’absorption des rayons X (XANES) ont confirmé que le catalyseur Co/C obtenu par plasma contenait des carbures (Co3C) qui n’ont pu être révélés par XPS. Le test catalytique initial a été effectué en réacteur à lit fixe à 503 K (230°C), sous une pression de 3 MPa avec une vitesse volumique spatiale (VVH) de 6 000 〖cm〗^3 〖.h〗^(-1).g^(-1), pour une durée de 24 heures. Par la suite, les tests ont été performés dans un réacteur triphasique agité continu (3-φ-CSTSR) opérant de façon isotherme pendant 24 heures à des températures de 493–533 K (220–260°C), sous 2 MPa et à VVH = 3 600 〖 cm〗^3 〖.h〗^(-1).g^(-1). Tous les catalyseurs étudiés ont été actifs pour la SFT, produisant des fractions de gasoline (essence) et de diesel mais avec des sélectivités qui dépendaient de la proportion de métal présent dans le catalyseur et des conditions réactionnelles. À 493 K, le catalyseur le plus actif a été Co/C, obtenu par plasma, avec 40% de conversion qui contraste avec les 32% du meilleur catalyseur commercial Fe/C. Ces performances ont été comparées avec celles d’autres catalyseurs synthétisés par plasma Fe/C (25% de conversion) et 80%Co-20%Fe/C (10%), tandis que 50%Co-50%Fe/C, 30%Co-70%Fe/C n’ont montré aucune activité. Le catalyseur Co/C a été aussi le plus sélectif pour la formation de gasoline; mais à 533 K il a généré des quantités excessives de CH4 (46%) et CO2 (19%); ce qui a conduit à l’idée de synthétiser des bimétalliques Co-Fe/C qui ont permis d’abaisser la sélectivité en CH4 ou CO2 en dessous de 10%, pour une conversion de CO dépassant 40%. De même, les catalyseurs contenant du Ni (Ni-Co-Fe/C) ont été plus actifs avec des conversions de CO dépassant 50% avec des sélectivités en gasoline (38%) plus élevées qu’en diesel (20%). Ce catalyseur bimétallique a aussi favorisé la formation importante de CH4 (23%) et de CO2 (14%) beaucoup plus que dans le cas du solide Co-Fe/C. Globalement, le catalyseur bimétallique Co-Fe et sa variante acidifiée (exemple Mo-Co-Fe) ont été plus sélectifs en diesel (~ 55%). L’influence du prétraitement a été examinée et, selon la composition des catalyseurs, ceux qui ont été initialement réduits par CO avaient montré une amélioration de la sélectivité en diesel (50–67%); ces performances se sont avérées meilleures par rapport à celles des solides initialement réduits par H2 (45–55%). En outre, les catalyseurs aux concentrations élevées en cobalt, ainsi que ceux prétraités sous hydrogène ont généré plus d’eau que ceux prétraités ou réduits par CO. La présence d’atomes d’or comme promoteur dans le catalyseur Ni-Co-Fe/C (Au/Ni-Co-Fe/C) a non seulement ralenti l’activité de Ni-Co-Fe/C, mais aussi a diminué sa capacité à former l’eau, bien que n’ayant eu aucun impact significatif sur la sélectivité en composés hydrocarbonés. / Abstract : This work reveals the potential plasma technology presents in producing highly active catalysts for Fischer-Tropsch synthesis (FTS), while simultaneously contracting catalyst production into a single step, which is a certain departure from the traditional multi-step methods such as impregnation or precipitation. Novel catalysts proposed were carbon-based, developed from single metal (Fe/C, Co/C) to bimetallic (Co-Fe), ternary (Mo-Co-Fe, Ni-Co-Fe) and then the promoted Au/Ni-Co-Fe formulations. Since the preparation of nanometric carbon-supported catalysts by plasma is a relatively new phenomenon, it offers the Fischer-Tropsch catalysis prospects of future commercial applications, because of the high temperatures that are achieved in plasma create Fe carbides (Fe3C, Fe5C2), which are assumed to account for Fe-based FTS catalysis. An attempt to fully quantify the carbide phases in the samples by X-ray diffraction (XRD) and Rietveld Quantitative Analysis (RQA) was only partially successful due to the nanometric nature of the materials existing below the instrument’s detection limits. With BET specific surface areas of 35–93 m2.g-1, the catalysts were found to be non-porous, a characteristic that is advantageous because Fischer-Tropsch reaction would operate away from mass transfer limitations. Transmission Electron Microscopy (TEM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) coupled with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) and X-ray mapping indicated high dispersion of the metal moieties in the carbon matrix, with no signs of nanoparticle agglomeration both in the fresh and used samples. Raman and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) characterized the support as highly graphitic, mixed with amorphous carbon arising from substantial defects in the graphite. Evidence from X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) using X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) analysis confirmed that plasma synthesized Co/C catalyst contained some carbides (Co3C), which went undetected by XPS. Initial catalyst testing was performed in the fixed-bed reactor at 503 K (230C), 3 MPa pressure, and gas hourly space velocity (GHSV) of 6 000 〖cm〗^3 〖.h〗^(-1).g^(-1) of catalyst for 24 h. Elaborate tests were further executed in a 3-phase continuously stirred-tank slurry reactor (3-φ-CSTSR) isothermally operated between 493–533 K (220–260°C) at 2 MPa pressure, and GHSV = 3 600 〖cm〗^3 〖.h〗^(-1).g^(-1) of catalyst, for 24 h. It was observed that all catalysts were active for FTS, producing both gasoline and diesel fractions, but selectivity depended on the amount of metal in the catalyst or the reaction conditions. The most active catalyst at 493 K was the plasma-synthesized Co/C that showed 40% CO conversion, which was benchmarked against the commercial Fe/C at 32%. This performance was compared to the plasma-synthesized Fe/C (25% CO conversion) and 80%Co-20%Fe/C (10% CO conversion), while both the 50%Co-50%Fe/C and 30%Co-70%Fe/C were inactive. The plasma-synthesized Co/C was also more selective towards the gasoline fraction, but at 533 K it generated excessive CH4 (46%) and CO2 (19%) prompting the development of the Co-Fe/C bimetallics, which exhibited less than 10% selectivity towards CH4 or CO2 at over 40% CO conversion. Similarly, Ni-containing catalysts (Ni-Co-Fe/C) were relatively more active than the bimetallics, exhibiting over 50% CO conversion with higher selectivity towards the gasoline fraction (38%) than towards diesel (20%). The Ni-Co-Fe/C catalysts also produced excessive CH4 (23%) and CO2 (14%), than the Co-Fe/C bimetallics. Overall, the Co-Fe bimetallics and the acidified Co-Fe catalyst (i.e. Mo-Co-Fe/C) were more selective towards diesel formation (~55%). When the effect of pre-treatment medium was investigated, depending on catalyst composition, the CO-reduced catalysts showed enhanced selectivity for diesel fraction (50–67%) than catalysts reduced in H2 (45–55%). In addition, it was observed that catalysts containing high concentration of Co as well as those reduced in H2 generated more H2O than those reduced in CO, and the presence of Au (that is, in Ni-Co-Fe/C) not only depressed the Ni-Co-Fe/C catalyst activity, but it also lowered its capacity to form H2O, although it had no significant impact on the catalyst’s hydrocarbon selectivity.

L’objectif de cette thèse consiste en une étude fondamentale de différentes approches pour la modification de surfaces d’alliages d’aluminium. Elle s’inscrit dans le cadre du projet FLYCOAT, subventionné par la région Wallonne. Ce dernier avait pour objectif le développement d’alternatives au couplage classique d’un procédé d’anodisation utilisant des bains de Cr (VI) aux résines époxy pour la protection des alliages d’aluminium contre la corrosion. Dans un premier temps, la synthèse par plasma atmosphérique dans un réacteur de type décharge à barrière diélectrique (DBD) de films riches en groupements carboxyliques à partir de 8 précurseurs organiques est étudiée. Une attention particulière est portée à la compréhension fondamentale des mécanismes de polymérisation de ces précurseurs. L’influence significative de minimes variations de la structure chimique du précurseur est étudiée. Concrètement, nous démontrons l’impact de la présence et de la position de doubles liaisons ou encore le ratio C/O dans le monomère injecté sur le mécanisme de synthèse des couches déposées. Pour ce faire, une méthodologie combinant des analyses de la phase plasma et des films déposés est proposée. Les propriétés électriques de la DBD d’argon sont évaluées par oscilloscope avant et durant l’injection des différents précurseurs. La quantité d’énergie transférée de la décharge vers le précurseur est évaluée par spectroscopie d’émission optique et corrélée à sa structure. Une fragmentation réduite est mise en évidence par spectrométrie de masse pour les monomères contenant une double liaison. Ces analyses de la phase plasma sont alors corrélées avec les propriétés physiques et chimiques des films synthétisés. Les compositions chimiques de surface et de la matrice des couches minces sont étudiées par spectroscopie à photoélectrons X (XPS) et infrarouge. Le rôle essentiel de la présence et de la position de la double liaison dans la molécule injectée est démontré. Les vitesses de dépôt et la rugosité des films déposés par plasma atmosphérique avec l’injection des 8 précurseurs sont évaluées par profilométrie à stylet. Dans la seconde partie, le couplage de deux méthodes de plasma atmosphérique est proposé pour la synthèse de couches d’alumine aux propriétés adaptables. Le premier traitement consiste en un nombre varié de passages d’une torche plasma opérant dans un régime d’arc. L’effet du nombre de passages sur les propriétés physiques et chimiques du substrat est étudié par XPS, angle de contact, microscopie électronique à balayage et mesures de diffraction à rayons X. Une corrélation est suggérée entre le nombre de passages de la torche et les propriétés électrochimiques du substrat. L’influence de ce premier traitement sur les propriétés de la couche d’oxyde d’aluminium synthétisée par oxydation par plasma électrolytique est mise en évidence. Dans un troisième temps, le plasma pouvant être considéré comme un réservoir d’énergie, une étude de faisabilité est réalisée afin d’évaluer sa potentielle utilisation pour la réticulation d’une résine de type benzoxazine. L’efficacité du traitement par DBD atmosphérique d’argon ou hélium est comparée et discutée. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished