3) Applications en Science des Matériaux

Caractérisation du plasma produit par ablation laser : aspects fondamentaux et applications à l’étude de matériaux à fort potentiel technologique.

Cet axe de recherche a été démarré en 2006 dans le groupe ANATRAC et compte aujourd’hui plus de 40 articles et conférences invitées. Il a été développé en collaboration avec un réseau étendu d’équipes françaises et étrangères et a bénéficié du soutien d’un projet ARCUS (2006-2008, financement MAEE/Région), d’un projet ECO-NET (2007-2008, MAEE), du projet européen TOTECAT (2006-2010), du GdR 3161 « Propulsion par plasma dans l’espace » (2008-2012), de deux partenariats internationaux (PHC Barande avec la République Tchèque et Brancusi avec la Roumanie, 2013-2014), d’une bourse du gouvernement français (2014-2017) pour un doctorat en cotutelle etc. Trois thèses ont été soutenues.

Au niveau scientifique, cette thématique s’est développée suivant trois directions :

  • Etude fondamentale de la dynamique spatio-temporelle des plasmas générés par ablation laser à haute intensité ;
  • Etude par ablation laser de l’érosion des parois d’un propulseur spatial à effet Hall ;
  • Optimisation du dépôt par ablation laser (PLD) de couches minces.

Des techniques optiques (imagerie rapide par camera CCD intensifiée, spectroscopie d’émission et d’absorption) et électriques (sondes Langmuir, spectrométrie de masse) ont été développées pour la caractérisation du plasma. D’autres techniques spécifiques, disponibles au laboratoire ou dans les équipes partenaires ont également été utilisées pour la caractérisation des couches minces déposées ou des effets induits par le laser sur la cible : spectrométrie Raman, diffraction de rayons X, ellipsométrie, EDX, profilométrie mécanique et optique, TOF-SIMS etc. 

a. Compréhension de l’interaction de la matière avec des impulsions laser de haute intensité

La première direction vise une meilleure compréhension de l’interaction de la matière avec des impulsions laser de haute intensité, problématique très complexe impliquant les propriétés optiques et thermodynamiques de l’échantillon solide, les transitions de phase, l’expansion de la phase gaz et son interaction avec le faisceau laser, les interactions électriques entre les constituants du plasma créé etc. L’étude systématique que nous avons menée dans différents régimes temporels (ns, ps, fs) et sur différents matériaux, des plus simples (métaux) aux plus complexes (céramiques, composites magnéto-électriques) nous a permis de développer un nouveau modèle expliquant notamment l’origine des oscillations observées pour la première fois par notre équipe et confirmées depuis par d’autres groupes. L’article publié dans Phys. Rev. E en 2008 a été sélectionné pour publication dans le Virtual Journal of Ultrafast Science. En 2017 nous avons été invités à écrire un article de review sur nos travaux dans Appl. Surf. Sci (IF: 4.4). Sur les cinq dernières années, 10 des 19 articles publiés sur cette thématique l’ont été dans des journaux du top 10%.

b. Etude de l’érosion des céramiques présentes dans les moteurs à effet Hall

Nos travaux ont attiré l’attention des membres du GdR « Propulsion par Plasma dans l’Espace », intéressés par l’étude de l’érosion des céramiques présentes dans les moteurs à effet Hall utilisés pour la propulsion de satellites. Plusieurs campagnes d’expériences communes (PhLAM, ICARE, GREMI, CEMHTI Orléans, LPGP Orsay, SNECMA) ont été effectuées au laboratoire et sur le moyen national d’essai PIVOINE 2G (ICARE Orléans). Nous avons notamment mis au point une technique de calibration de l’érosion des parois céramiques qui pourra être utilisée pour le suivi en vol des moteurs à effet Hall.

c. Optimisation du processus PLD

Enfin, la troisième direction d’étude est orientée vers l’optimisation du processus PLD (Pulsed Laser Deposition) pour la croissance de couches minces de matériaux d’intérêt technologique, comme les chalcogénures (DVD réinscriptibles, mémoires à changement de phase) ou les férromagnétiques (capteurs). Cette direction a été développée en collaboration avec des équipes de l’Université de Rennes 1 (V. Nazabal), l’Université de Pardubice (République Tchèque, P. Nemec) et l’Université « Alexandru Ioan Cuza » de Iasi, Roumanie (S. Gurlui, O. Caltun). Une étude systématique sur l’influence des différents paramètres entrant en jeu (longueur d’onde, durée de l’impulsion et fluence du laser d’ablation, pression de travail, distance cible-substrat etc.) sur les propriétés des couches minces déposées a permis de dégager des résultats très encourageants pour l’optimisation du processus PLD. 

« Caractérisation par méthodes optiques et électriques du plasma produit par ablation laser » C. URSU (10/2006 – 01/2010, encadrement 50 % C. Focsa, cotutelle avec G. POPA, Professeur à l’Université « Al. I. Cuza » de Iasi)
Cette thèse en cotutelle s’est effectuée dans le cadre du projet ARCUS PHYCAFOR. M. URSU a passé 50% de son temps de recherche dans notre équipe et 50% à l’Université « Al. I. Cuza » de Iasi. Ses périodes de travail dans notre Université ont été très bénéfiques (quatre articles publiés), par la mise en place de nouvelles méthodes optiques de caractérisation résolue temporellement et spatialement. Ces résultats, combinés avec les diagnostiques par sondes électriques effectués à Iasi, ont permis d’avoir une vue plus approfondie du processus de désorption laser, avec des applications directes dans tous les autres projets développés par notre équipe. M. Ursu est actuellement chercheur permanent à l’Institut de Chimie Macromoléculaire « Petru Poni » de Iasi, Roumanie et nous continuons à travailler ensemble.

« Pulsed Laser Deposition and Characterization of Chalcogenide Thin Films » O. POMPILIAN (10/2009-07/2013, encadrement 100% C. Focsa)
Mlle POMPILIAN a entrepris une étude systématique sur l’influence de divers paramètres du processus PLD (comme la longueur d’onde, la durée de l’impulsion ou la fluence du laser, la pression de dépôt, la distance cible-substrat) sur les propriétés des couches minces déposées.  Ces propriétés ont été caractérisées par microscopie optique et électronique, diffraction de rayons X, spectroscopie Raman, ellipsométrie, profilométrie, EDX, TOF-SIMS etc. Les principaux résultats indiquent de meilleures propriétés pour les couches déposées à faible longueur d’onde, courte durée d’impulsion et fluence modérée. Ils ouvrent la voie vers l’optimisation du processus PLD pour la croissance contrôlée de couches minces de chalcogénures et d’autres matériaux. Les travaux de Mlle Pompilian ont donné lieu à six publications. Elle est actuellement chercheure permanente à l’Institut National de Physique des Lasers, Plasmas et Rayonnements de Bucarest, Roumanie. 

« Experimental and theoretical studies on the dynamics of plasma plumes generated by laser ablation in various temporal regimes » S. IRIMICIUC (10/2014-10/2017, cotutelle Université Lille 1 – Université « Alexandru Ioan Cuza » de Iasi, Roumanie (UAIC), encadrement 50% C. Focsa, co-directeur: Prof. M. AGOP, UAIC)
Cette thèse en cotutelle a été financée par une Bourse du Gouvernement Français (BGF) et s’inscrit dans une continuité de nos relations de collaboration avec l’Université de Iasi. L’objectif de la thèse a été de développer un modèle théorique le plus complet possible sur la base d’observations expérimentales réalisées avec des lasers de différentes durées d’impulsion (nanoseconde, picoseconde, femtoseconde), sur une variété de matériaux, et de relier les dynamiques observées aux propriétés physiques des matériaux – cibles. Les résultats obtenus ont été excellents, M. Irimiciuc recevant plusieurs prix pour ses communications à des manifestations internationales de renom. Nous avons publié ensemble quatre articles et un chapitre de livre. M. Irimiciuc a reçu en novembre 2018 le Prix de Thèse « Recherche Internationale en Sciences et Technologies » du Collège Doctoral Lille Nord de France, qui regroupe plusieurs milliers de doctorants. Il occupe actuellement un poste de chercheur permanent à l’Institut National de Physique des Lasers, Plasmas et Rayonnements de Bucarest, Roumanie.

  1. Session Chair, International Conference on Ultrafast Optical Science, 1 - 5 octobre 2018, Moscou, Russie
  2. Topic Chair (Fundamentals of Plasma and Laser-Material Interactions and Processing), 12th International Conference on Physics of Advanced Materials, 22-28 septembre 2018, Heraklion (Grèce)
  3. Session Chair, Symposium X “Photon-assisted synthesis and processing of materials in nano-microscale”, European Materials Research Society 2018 Spring Meeting, Strasbourg, France, 18-22 June 2018
  4. Depuis mai 2017: membre du groupe de travail “Industry” de l’European Materials Research Society (membre du Board of Delegates de l’EMRS depuis 2016)
  5. Topic Chair (Fundamentals of Plasma and Laser-Material Interactions and Processing), 11th International Conference on Physics of Advanced Materials, 8-14 septembre 2016, Cluj-Napoca (Roumanie)
  6. Session Chair, 10th International Conference on Photoexcited Processes and Applications, 29 août – 2 septembre 2016, Brasov, Roumanie 
  7. Chairman du Symposium C « Laser-materials interactions for tailoring future applications », EMRS 2016 Spring Meeting, 2-6 mai 2016, Lille 
  8. Session Chair, 32nd International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 26-31 juillet 2015, Iasi, Roumanie  
  9. Membre du Comité d’Organisation, 10th International Conference on Physics of Advanced Materials, 22-28 septembre 2014, Iasi (Roumanie)
  10. Session Chair, European Materials Research Society spring meeting 2014, Symposium J “Laser interaction with advanced materials: fundamentals and applications”, 26-30 mai 2014, Lille
  11. Chairman de la 5e Conférence Nationale de Physique Appliquée, 23-24 mai 2013, Iasi (Roumanie)
  12. Membre du Comité d’Organisation, 9th International Conference on Physics of Advanced Materials, 20-23 septembre 2012, Iasi (Roumanie) 
  13. Session Chair, 10th International Conference on Solid State Chemistry, 10 – 14 juin 2012, Pardubice (République Tchèque)
  1. C. Ursu, P. Nica, C. Focsa, Excimer laser ablation of graphite: the enhancement of carbon dimer formation, Appl. Surf. Sci. 456, 717-725 (2018)
  2. P. Nica, S. Gurlui, M. Osiac, M. Agop, M. Ziskind, C. Focsa, “Investigation of Femtosecond Laser-Produced Plasma from Various Metallic Targets using Langmuir Probe Characteristic”, Phys. Plasmas 24, 103119 (2017)
  3. C. Focsa, S. Gurlui, P. Nica, M. Agop, M. Ziskind, “Plume splitting and oscillatory behavior in transient plasmas generated by high-fluence laser ablation in vacuum”, Appl. Surf. Sci., 424, 299-309 (2017) (review paper)
  4. S. A. Irimiciuc, S. Gurlui, G. Bulai, P. Nica, M. Agop, C. Focsa, “Langmuir Probe Investigation of Transient Plasmas Generated by Femtosecond Laser Ablation of Several Metals: Influence of the Target Physical Properties on the Plume Dynamics”, Appl. Surf. Sci. 417, 108-118 (2017)
  5. S. Irimiciuc, R. Boidin, G. Bulai, S. Gurlui, P. Nemec, V. Nazabal, C. Focsa, “Laser ablation of (GeSe2)100-x(Sb2Se3)xchalcogenide glasses: Influence of the target composition on the plasma plume dynamics”, Appl. Surf. Sci.418, 594-600 (2017)
  6. S. A. Irimiciuc, S. Gurlui, P. Nica, C. Focsa, M. Agop, “A compact non-differential approach for modeling laser ablation plasma dynamics”, J. Appl. Phys. 121, 083301 (2017)
  7. G. Pompilian, G. Dascalu, I. Mihaila, S. Gurlui, M. Olivier, P. Nemec, V. Nazabal, N. Cimpoesu, C. Focsa, ”Pulsed Laser Deposition of Rare Earth Doped Gallium Lanthanum Sulphide Chalcogenide Thin Films”, Appl. Phys. A, 117, 197-205 (2014)
  8. G. Dascalu, G. Pompilian, B. Chazallon, O. Caltun, S. Gurlui, C. Focsa, “Femtosecond Pulsed Laser Deposition of Cobalt Ferrite Thin Films, Appl. Surf. Sci.,278, 38 (2013)
  9. G. Pompilian, S. Gurlui, P. Nemec, V. Nazabal, M. Ziskind, C. Focsa, “Plasma Diagnostics in Pulsed Laser Deposition of GaLaS Chalcogenides”, Appl. Surf. Sci., 278, 352 (2013)
  10. G. Dascalu, G. Pompilian, B. Chazallon, V. Nica, O. Caltun, S. Gurlui, C. Focsa, Rare earth doped cobalt ferrite thin films deposited by PLD”, Appl. Phys. A, 110, 915 (2013)
  11. L. Balika, C. Focsa, S. Gurlui, S. Pellerin, N. Pellerin, D. Pagnon, M. Dudeck, “Laser-induced breakdown spectroscopy in a running Hall Effect Thruster for space propulsion”, Spectrochim. Acta B, 74-75, 184 (2012)
  12. P. Nica, M. Agop, S. Gurlui, C. Focsa, “Oscillatory Langmuir probe ion current in laser-produced plasma expansion”, Eur. Phys. Lett., 89, 65001 (2010)
  13. C. Ursu, O.G. Pompilian, S. Gurlui, P. Nica, M. Agop, M. Dudeck, C. Focsa, “Al2O3ceramics under high-fluence irradiation: plasma plume dynamics through space- and time-resolved optical emission spectroscopy”, Appl. Phys. A, 101, 153 (2010)
  14. C. Focsa, P. Nemec, M. Ziskind, C. Ursu, S. Gurlui, V. Nazabal, “Laser ablation of 
  15. AsxSe100-x chalcogenide glasses: Plume investigations”, Appl. Surf. Sci., 255, 5307 (2009)
  16. S. Gurlui, M. Agop, P. Nica, M. Ziskind, C. Focsa, "Experimental and Theoretical Investigations of a Laser Produced Aluminum Plasma ", Phys. Rev. E, 78, 026405 (2008). Article sélectionné pour publication dans le Virtual Journal of Ultrafast Science (Vol. 7, No. 9, septembre 2008)
  1. P.E. Nica, S.A. Irimiciuc, M. Agop, S. Gurlui, M. Ziskind, C. Focsa, “Experimental and Theoretical Studies on the Dynamics of Transient Plasmas Generated by Laser Ablation in Various Temporal Regimes”, in “Laser Ablation - From Mechanisms to Applications”, Ed. T. Itina, InTech, Zagreb, Croatia, pp. 2-30 (2017). DOI: 10.5772/intechopen.70759
  2. G. Strat, M. Strat, S. Gurlui, C. Focsa, D. Dimitriu, “Self-organization phenomena in polymer and plasma structures”, in Optoelectronic Materials and Devices Series, vol. 5 “Self-organization in nanomaterials”, Eds. P. Boolchand & G. Lucovsky, INOE, Bucharest, Romania (2007), pp. 53-91