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.

Master of Science / Department of Geology / Abdelmoneam Raef / Geotechnical site characteristics are a function of the subsurface elastic moduli and the geologic structures. This study integrates borehole, surface and laboratory measurements for a geotechnical investigation that is focused on investigating shear-wave velocity (Vs) variation and its implication to geotechnical aspects of the Ogden test site in eastern Kansas. The area has a potential of seismicity due to the seismic zone associated with the Nemaha formation where earthquakes pose a moderate hazard. This study is in response to recent design standards for bridge structures require integrating comprehensive geotechnical site characterization. Furthermore, evaluation of dynamic soil properties is important for proper seismic response analysis and soil modeling programs. In this study, near surface geophysical site characterization in the form of 2D shear-wave velocity (Vs) structure that is compared with laboratory measurements of elastic moduli and earth properties at simulated in situ overburden pressure conditions and synergy with downhole Acoustic Televiewer time and amplitude logs, proved very robust “validated” workflow in site characterization for geotechnical purposes. An important component of a geotechnical site characterization is the evaluation of in-situ shear modulus, Poisson’s ratio and reliable and accurate elastic modulus ([lambda]) and shear modulus ([mu]) estimates are important in a good geotechnical site characterization. The geophysical site characterization, undertaken in this study, will complement and help in extrapolating drilling and core-based properties deduced by the geotechnical engineers interested at the test site.

Dans cette thèse, nous étudions comment la présence de parois affecte les ondes de surface. La dissipation associée au mouillage, objet central des premiers chapitres, est abordée expérimentalement. Nous mesurons son évolution avec la taille du ménisque et montrons qu’en mouillage total des non-linéarités apparaissent dès que l’oscillation du ménisque atteint l’épaisseur des couches limites. Dans un deuxième temps, nous quantifions les échanges d’énergie ayant lieu lors de laréflexion d’une onde de surface sur une paroi oscillante, appelés effet Doppler généralisé. Après une mise en évidence expérimentale, une approche théorique les évalue et illustre comment leurs effets cumulatifs peuvent mener à des spectres en compétition avec ceux de la turbulence d’ondes. Finalement, nous traitons les interactions entre paquets d’ondes. En géométrie confinée, nous montrons que des résonances à trois ondes gravitaires sont autorisées. Dépassant la problématique des parois, nous caractérisons les interactions entre ondes gravitaires en milieu infini, puis décrivons les grandes échelles de la turbulence d’ondes capillaire. / In this thesis, we study the impact of solid boudaries on surface waves. We first consider the dissipation caused by dynamical wetting. We experimentally show how the damping of surface waves evolves with the size of the meniscus and demonstrate that in perfect wetting it leads to a nonlinear behavior as soon as the meniscus oscillation amplitude compares to the thickness of the boundary layer. Secondly, we investigate energy exchanges through scales occuring when a surface wave reflects on an oscillating wall, the so-called generalized Doppler effect. We evidence the creation of Doppler-shifted waves, compute their amplitudes and illustrate how the continuous bouncing of surface waves on wavemakers may lead to self-similar spectra competing with the ones of wave turbulence. Finally, we focus on nonlinear interaction between surface waves. We prove that gravity waves can undergo triad resonances in confined geometry. Going beyond the consequencies of solid boundaries, we perform experiments on four-wave interactions in the gravity regime and describe large scales in capillary wave turbulence.

Focaliser l’énergie optique en un petit spot de diamètre beaucoup plus petit que la limite de diffraction a longtemps été un sujet très intéressant en photonique. Dans le domaine Térahertz (avec une longueur d’onde de l’ordre de 300 µm) ce défi est particulièrement important pour répondre à l’intérêt croissant de l’imagerie haute résolution et de la spectroscopie des matériaux d’une taille inférieure à l’échelle submillimétrique de la longueur d’onde en espace libre. Dans ma thèse, j’ai étudié le confinement des ondes de surface aux fréquences THz sur des structures métalliques de dimensions sous longueur d’onde. J’ai expérimentalement mesuré le confinement du champ électrique et calculé la relation de dispersion du mode de surface sur une structure métallique déposée sur un substrat diélectrique de faible permittivité. Ces mesures sont obtenues à l’aide d’un banc de mesures THz guidé, développé pendant ma thèse. La mesure est faite en champ proche par une sonde électro-optique micrométrique, librement positionnable. Ces résultats expérimentaux sont complétés par des simulations numériques, obtenues par le logiciel de simulation par éléments finis, Comsol Multiphysics. Les résultats expérimentaux montrent un confinement de λ/20 du mode EM de surface sur une ligne métallique rectangulaire de petites dimensions. / Focusing optical energy into a small spot diameter much smaller than the diffraction limit has long been a very interesting topic in photonics. In Terahertz (with a wavelength of about 300 microns) this challenge is particularly important to meet the growing interest in high-resolution imaging and spectroscopy of materials whose size is smaller than the wavelength in free space. In my thesis, I studied the confinement of surface waves at THz frequencies on metal structures with sub-wavelength dimensions . I experimentally measured the confinement of the electric field and calculated the dispersion relation of the surface mode on a metal structure deposited on a low permittivity dielectric substrate. These measurements are obtained using a guided-wave time domain spectroscopy set-up, developed during my PhD. The measurement is made by a near-field freely positionable electro-optical probe. These experimental results are supplemented by numerical simulations obtained by finite element analysis software Comsol Multiphysics. The experimental results show a confinement of λ/20 of the EM surface mode on a sub-wavelength dimension rectangular metal wire.

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.

The theme of my thesis is to investigate the diffraction behavior of subwavelength holes in metal films, and to understand the surface plasmons' (SPs) role in aperture far-field diffraction. We have built a home-made goniometer setup with high-level quality. A series of single hole continuously ranging from k*r>>1 to k*r<

Aujourd’hui le monde des télécommunications est en plein essor et le nombre de services proposés aux consommateurs augmente d’année en année. Les technologies employées font appel à l’optique. Le simple constat du nombre d’applications "sans fils" qui se développent permet de se rendre compte de l’importance des microondes dans l’ensemble des technologies modernes de communication. Cette thèse se situe dans ce cadre. Elle présente des techniques de modélisation de base pour concevoir et optimiser un guide d’onde de surface fonctionnant dans le domaine des microondes. Dans le premier chapitre, des outils de simulation permettant de calculer la réponse de diffraction par les réseaux de strips métalliques ont été développés. Les méthodes rigoureuses qui ont été retenues sont la méthode MMFE, CBCM et la méthode C qui prennent en compte la nature vectorielle de la lumière. La difficulté de convergence des calculs numériques et le problème de discontinuité des champs sur les strips métalliques est mise en évidence. Pour traiter ces problèmes, un changement de coordonnées est proposé, c’est le système de " Coordonnées adaptative " qui permet de resserrer les lignes de coordonnées au voisinage des points des discontinuités. Il en résulte une diminution du saut de discontinuité en ces points et une amélioration de la convergence des calculs numériques. Dans le second chapitre, ces méthodes sont étendues au problème de la diffraction en incidence oblique encore appelé diffraction conique. Dans le troisième chapitre, nous avons appliqué ces méthodes pour étudier et caractériser les réseaux de strips métalliques déposés sur une couche diélectrique. Nous avons mis en évidence le phénomène de résonance sur les facteurs de réflexion et nous avons pu montré que ces effets des résonances sont dus au couplage de l’onde de surface et de l’onde plane incidente. Afin d’analyser les couplages résultants qui existent entre le mode, nous avons étudié les pôles de la matrice S et déterminé la sensibilité et l’influence des paramètres optoélectroniques sur le pic de résonance. Cette étude a permis de déterminer le triplet (hauteur, facteur de forme, l’angle de polarisation ) relatif à la structure pour que le guide soit optimisé. / Today, the world of telecommunications is booming and the number of services offered to the consumers rises from year to year. Current Technologies call for optics. The simple report of the number of " wireless " which is increasing allows bewaring of the importance of the microwaves in the whole world of modern communication technologies. This thesis is mainly in the same area. It presents tools of basic modeling to design and optimize surface waves guide that works in the field of microwaves. In the first chapter, simulation tools allowing to calculate the answer of diffraction by the metallic strip grating were developed. The rigorous methods which were adopted are the MMFE, CBCM and the C method which take into account the vector nature of the light.The difficulty in convergence of numerical calculations and the problem of discontinuity of the fields on the metallic strips are highlighted. In order to deal with these problems, the change of co-ordinates is proposed, it is the system of " adaptive co-ordinates " which makes it possible to tighten the lines of co-ordinates in the vicinity of the point of discontinuities. It results from it a reduction from the jump of discontinuity in these points and an improvement of the convergence of numerical calculations. In the second chapter, these methods are extended to the problem of diffraction in oblique,also called conical diffraction. In the third chapter, we have applied these methods to study and characterize the metallic strip grating deposited to a dielectric layer. We highlighted the phenomenon of resonance on the factors of reflexion and we could shown that these effects of resonances are due to the coupling of the surface of waves and of the incidence plane waves. So as to analyze the coupling results which exist between the modes we have studied the poles of the matrix S and determined the sensitivity and the influence of the optoelectronic parameters on the peak of resonance. This study made it possible to determine the triplet (height, fill Factor, the angle of polarization) relating to the structure so that the guide will be optimized.

This diploma thesis deals mainly with utilization of plasma in technological aplications. The introductory part is apllied to the theoretical description of plasma generated by the surfatron. This launcher works with the frequency of 2,45 GHz and it is able to excite the surface wave, that sustains plasma column in a quartz tube. Plasma generated by surfatron was used for modification of surface properties of polyethylen to change its surface energy. By changing of surface energy it was reached of higher hydrophilicity. Plasma generated by surfatron was diagnosed in detail during experiments in a continual regime as well as in a pulse one with a help of a single {--} probe and a double {--} probe Langmuir measurement. In this diploma thesis there is discussed influence of pressure, power and other experimental options.

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This diploma thesis was focused on the possibility of using a plasma nozzle to accelerate the wound healing process. The benefits of using low-temperature plasma in medicine or biomedical applications are known from many studies, and low-temperature plasma is already used to sterilize medical devices, materials or surgical instruments. Some studies also report a high potential of usinh plasma nozzle in the treatment of skin wounds. In the experimental part of this work, an in vitro wound healing test was performed using two different low-temperature plasma sources. Source No. 1 was a surface wave microwave discharge and source No. 2 was a torch microwave discharge. An in vitro scratch healing test was performed on a monolayer of HaCaT keratinocytes and testing was performed using various parameters. The influence of the plasma treatment time was monitored, as well as the influence of the plasma discharge power and also the influence of the argon working gas flow. Especially when using a torch microwave discharge, faster wound healing was recorded at most of the parameters used compared to the control. Thus, it can be said that this source appears to be potentially suitable for faster wound healing. Furthermore, in the work using the MTT cytotoxicity test, the viability of skin cells after their plasmination was also monitored using the same conditions as in the in vitro wound healing test. When performed in the standard MTT assay, none of the settings or sources used showed any cytotoxic effects on keratinocytes. LDH cytotoxicity tests were also performed concurrently to verify the accuracy of the MTT assays. The results of both tests agreed and the use of low-temperature plasma in skin treatment can be considered as safe. Overall, the results show that the plasma nozzle can find use in medicine in the healing of skin wounds and chronic defects as a potentially fast, inexpensive and effective method.