Cours Slide MC 300 9 Octobre 2024 Partie 2 PDF

Diagram of a typical LIBS set-up I = 107 à 1010 W/cm2  = Nano., Pico. ou Femtoseconde LIPS sous ambiance contrôlée Faisceau laser Analyse du plasma pour la...

Diagram of a typical LIBS set-up I = 107 à 1010 W/cm2  = Nano., Pico. ou Femtoseconde LIPS sous ambiance contrôlée Faisceau laser Analyse du plasma pour la synthèse de matériaux Substrat Cible Matière ablatée (Plasma) Zone d’analyse Plasma distance  Sous vide  Ambiance inerte (He, Ar,…) Nature du dépôt à réaliser  Ambiance réactive (O2, N2,…)  LIBS sous ambiance contrôlée Direction d’analyse du plasma Faisceau laser Substrat Panache de plasma Cible de graphite Porte substrat avec le système de chauffage Vide à 10-6 torr Injection de N2 Chambre d’expérience LIBS sous air à pression atmosphérique Terminologie et Acronyme Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Laser Induced Plasma Spectroscopy (LIPS) Quel Laser utilisé: - Longueur d’onde (), - Durée d’impulsion (), - Energie (E) Quel environnement: Air, Argon (Ar), Sous vide Quel diamètre du spot laser: Quel Fluence (F) : F= E/ surface du spot laser sur le matériau J/cm2 Quel Irradiance ou Intensité (I): I = F/  en W/cm2 Ablation Laser: L’ablation laser est la base du LIBS dont elle constitue la première étape. La définition de l’ablation donnée par Merriam-Webster Dictionary est “la perte d’une partie par fusion ou évaporation”. Pour que l’ablation ait lieu, une absorption d’énergie est nécessaire. Cette énergie peut être fournie sous forme de décharges électriques (ex. un arc ou une étincelle) ou de radiation lumineuse (ex. un laser).  Photographie de plasma créé par différentes sources - Etincelle entre deux électrodes - Plasma à couplage inductive - Etincelle induite par Laser L’ablation laser signifie l’utilisation d’un rayonnement laser pour enlever une portion d’un échantillon par fusion, sublimation, ionisation, érosion et/ou explosion. L’ablation laser conduit à la formation d’une vapeur gazeuse, d’un plasma lumineux et la production de particules très fines. En analysant le spectre d’émission d’un plasma induit par laser, on peut obtenir des informations qualitatives et quantitatives sur la composition chimique d’un échantillon. Ce schéma présente 2 régimes de l’interaction laser-matière : (a) Pour I < Iv ( Iv étant le seuil d’évaporation), le rayonnement laser absorbé conduit à une élévation de température sans la fusion de la surface. Ce régime d’intensité est principalement employé pour la modification de la surface. (b) Pour I > Iv, le régime est caractérisé par une vaporisation, une formation de plasma et une expulsion de la phase liquide. Schéma de l’interaction du laser avec la matière en utilisant différentes durées d’impulsion Les processus d’interaction de l’ordre de la micro et la nano seconde se font à travers un chauffage, une fusion puis une évaporation Pour des durées plus courtes, le temps d’initiation du plasma se fait directement par évaporation conduisant à des cratères de contour précis. Femtoseconde Picoseconde Nanoseconde  Profondeur du cratère: d’ablation A partir de ces courbes , nous pouvons estimer le seuil d’ablation,  Taux d’ablation Définition 1: Volume de la matière ablatée/Energie du pulse laser Définition 2: Profondeur du cratère/Fluence laser Comment peut-on passer de définition 1 vers la définition 2 ou vice versa? L’ablation laser est gouvernée par différents mécanismes non linéaires. Une fois l’échantillon irradié par le laser, la matière éjectée de la surface est sous forme d’électrons, d’ions, d’atomes, de molécules et de clusters, chacun de ces processus sont séparés dans le temps et l’espace. La compréhension des mécanismes fondamentaux impliqués dans chacun de ces processus est essentielle pour l’efficacité de l’analyse. La maitrise des phénomènes d’interaction laser-matière permet l’ablation d’une vapeur stœchiométrique et le contrôle des propriétés du plasma pour une performance optimale du LIBS  Processus d’ablation laser Expansion et Emission du plasma Interaction Vaporisation & Laser-cible Formation plasma CK 1/ lt Ignitiation du Plasma fs laser (1012 – 1017 W/cm2) Excitation et ionisation électroniques Ejection de Particules et (10–15–10–13 s) condensation Explosion Coulombienne (10–13 s) Formation de nano-particules Chauffage électron– réseau (10–12 s) (10–4–10–3 s) Expansion et refroidissement ns laser (107 – 1011 W/cm2) du plasma Ejection de goutellettes liquides (10–8–10–6 s) Vaporisation thermique (10–9–10–8 s) Expansion (10–11–10–6 s) Exfoliation du solide (10–6–10–5 s) Ablation non-thermique (10–9–10–8 s) Refroidissement radiatif Ecrantage du Plasma (10–9–10–8 s) (10–6–10–4 s)  Expansion et l’émission d’un plasma (atomes, ions et molécules) à deux dimensions dans une ambiance contrôlée À différente instant et à différente pression de gaz 70 ns 90 ns 150 ns 250 ns 650 ns 1.4 µs 2 µs 0.1 mbar 0. 3 mbar 0.5 mbar 1 mbar 5 mbar  Ejection de particules ou de phase liquide ( clusters ou gouttelettes liquides) sous ambiance de gaz schématisée dans les slides 9 et 16 10.5 µs 49.5µs 0.4 ms 1 ms 50 µs, 200 µs, I = 3.2x109 W/cm2 Photographies ou imagerie rapide d’éjection de particules sous vide schématisée dans le slide 9 I = 6.9x107 W/cm2