Characterization of transport of titanium neutral atoms sputtered in Ar and Ar/N 2 HIPIMS discharges

International audienceIn this work we report on the investigation of the transport behavior of Ti neutral atoms sputtered in a reactive high power impulse magnetron sputtering device used for TiN coating deposition. The time-resolved tunable diode laser induced fluorescence (TR-TDLIF), previously developed to study the transport of tungsten atoms, was improved to measure Ti neutral atom velocity distribution functions. We find that the TR-TDLIF signal has to be fitted using three Gaussian distributions, corresponding to the energetic, thermalized, and quasi-thermalized (atoms with non-zero mean velocity) atom populations. The ability to distinguish populations of atoms and to determine their corresponding deposited flux and energy may be of great interest to control film properties as desired for targeted applications. From the fitting, the vapor transport parameters (flux and energy) are calculated and studied as a function of distance from the target, pressure, and percentage of nitrogen in an Ar/N2 gas mixture. The study focuses on the effect of added nitrogen on the transport of sputtered atoms

Situations d’apprentissage et activités de conception en baccalauréat technologique « Design et Arts Appliqués » : représentations et instruments

The secondary school leaving certificate in Science and Technology: Design and Applied Arts prepares pupils to integrate postsecondary design programmes. This curriculum seeks to impart knowledge and understanding of design approaches. The purpose of this study was to investigate how design activity is taught in secondary school – its representations and instruments – and what impact this teaching has on pupils’ learning – knowledge and skills involved. In an attempt to highlight the impact of the environment on the learning activity and on the skills that the pupil develops, the theoretical framework questions the relationship between activity, instrument, environment, task and skills, design activity, instruments and representations. Three level of study were considered: that of institutional prescriptions, that of the implementation of certain elements related to their recommendations, and that of the actual pupils’ learning. The study favoured an exploratory analysis based on the observation of real situations in an unambiguous and operational way. The scope of the study was limited to the certification exam “Project in design and applied arts” (an identical prescription, precisely defined certification constraints). The research design was empirical and used a clinical method which was based on (1) a priori analysis of the task prescribed by the institution and redefined by teachers belonging to three different high schools, and (2) an analysis of the activity of a sample of their pupils. Observation tools were based on the abstention from direct observation. The activities were viewed: through semi-structured interviews conducted with teachers about the mechanism they designed to implement the institutional prescription; through semi-structured interviews conducted with pupils on the tasks they have actually accomplished; through the signs produced by teachers and pupils. The results show that the learning activity is instrumented to a greater extent by the different representations teachers have of the prescribed reference situation than by their representation of a prescribed state of design skills. In addition, although the pupil’s activity was motivated by the obtention of a school leaving certificate and not by the design of artefacts, the pupil develops semiotic and material instruments specific to the activity of students who train to become designers.Dans la formation du baccalauréat STD2A (Sciences et Technologies du Design et Arts Appliqués), il n’est pas question d’enseigner à des élèves la profession de designer, contrairement aux formations supérieures, mais de les préparer à intégrer ces formations. Son objectif est de donner plus des éléments de compréhension des démarches de conception qu’une compétence professionnelle de designer. La finalité de ce travail est de regarder comment l’activité de conception est enseignée au lycée (ses représentations et ses instruments) et quelle incidence à cet enseignement sur les apprentissages des élèves (les compétences en jeu). Afin de tenter de mettre en lumière l’incidence du milieu sur l’activité d’apprentissage et sur les compétences que l’élève développe, le cadre théorique interroge les articulations entre activité, instrument, milieu, tâche et compétences et activité de conception, ses outils et ses représentations. Trois niveaux d’étude sont envisagés : celui des prescriptions, celui des mises en œuvre de certains éléments liés à leurs préconisations, celui des apprentissages effectifs des élèves. La recherche privilégie une analyse exploratoire basée sur l'observation de situations réelles de manière univoque et opérationnelle. Le cadre de l’étude a été circonscrit à l’épreuve certificative « Projet en design et arts appliqués » (une prescription identique, des contraintes de certification précisément définies). La méthodologie est celle de la clinique de cas qui s’appuie (1) sur une analyse a priori de la tâche prescrite par l’institution et redéfinie par des enseignants travaillant dans trois lycées différents, et (2) sur une analyse de l’activité d’un échantillon de leurs élèves. Les outils d’observation sont fondés sur le renoncement à une observation directe. Les activités sont regardées à travers des entretiens semi-directifs menés avec les enseignants sur le dispositif qu’ils conçoivent pour mettre en œuvre la prescription, à travers des entretiens semi-directifs menés avec les élèves sur les tâches qu’ils ont réellement effectuées, et à travers les signes produits par les uns et les autres. Les résultats montrent d’une part, que l’activité d’apprentissage est instrumentée plus par les représentations différentes que les enseignants ont de la situation de référence prescrite que par leur représentation d’un état prescrit de compétence de conception. D’autre part, bien que l’activité de l’élève soit motivée par l’obtention du baccalauréat et non par la conception d’artefacts, il élabore des instruments sémiotiques et matériels propres à l’activité des étudiants qui apprennent à devenir designers

Situations d’apprentissage et activités de conception en baccalauréat technologique « Design et Arts Appliqués » : représentations et instruments

The secondary school leaving certificate in Science and Technology: Design and Applied Arts prepares pupils to integrate postsecondary design programmes. This curriculum seeks to impart knowledge and understanding of design approaches. The purpose of this study was to investigate how design activity is taught in secondary school – its representations and instruments – and what impact this teaching has on pupils’ learning – knowledge and skills involved. In an attempt to highlight the impact of the environment on the learning activity and on the skills that the pupil develops, the theoretical framework questions the relationship between activity, instrument, environment, task and skills, design activity, instruments and representations. Three level of study were considered: that of institutional prescriptions, that of the implementation of certain elements related to their recommendations, and that of the actual pupils’ learning. The study favoured an exploratory analysis based on the observation of real situations in an unambiguous and operational way. The scope of the study was limited to the certification exam “Project in design and applied arts” (an identical prescription, precisely defined certification constraints). The research design was empirical and used a clinical method which was based on (1) a priori analysis of the task prescribed by the institution and redefined by teachers belonging to three different high schools, and (2) an analysis of the activity of a sample of their pupils. Observation tools were based on the abstention from direct observation. The activities were viewed: through semi-structured interviews conducted with teachers about the mechanism they designed to implement the institutional prescription; through semi-structured interviews conducted with pupils on the tasks they have actually accomplished; through the signs produced by teachers and pupils. The results show that the learning activity is instrumented to a greater extent by the different representations teachers have of the prescribed reference situation than by their representation of a prescribed state of design skills. In addition, although the pupil’s activity was motivated by the obtention of a school leaving certificate and not by the design of artefacts, the pupil develops semiotic and material instruments specific to the activity of students who train to become designers.Dans la formation du baccalauréat STD2A (Sciences et Technologies du Design et Arts Appliqués), il n’est pas question d’enseigner à des élèves la profession de designer, contrairement aux formations supérieures, mais de les préparer à intégrer ces formations. Son objectif est de donner plus des éléments de compréhension des démarches de conception qu’une compétence professionnelle de designer. La finalité de ce travail est de regarder comment l’activité de conception est enseignée au lycée (ses représentations et ses instruments) et quelle incidence à cet enseignement sur les apprentissages des élèves (les compétences en jeu). Afin de tenter de mettre en lumière l’incidence du milieu sur l’activité d’apprentissage et sur les compétences que l’élève développe, le cadre théorique interroge les articulations entre activité, instrument, milieu, tâche et compétences et activité de conception, ses outils et ses représentations. Trois niveaux d’étude sont envisagés : celui des prescriptions, celui des mises en œuvre de certains éléments liés à leurs préconisations, celui des apprentissages effectifs des élèves. La recherche privilégie une analyse exploratoire basée sur l'observation de situations réelles de manière univoque et opérationnelle. Le cadre de l’étude a été circonscrit à l’épreuve certificative « Projet en design et arts appliqués » (une prescription identique, des contraintes de certification précisément définies). La méthodologie est celle de la clinique de cas qui s’appuie (1) sur une analyse a priori de la tâche prescrite par l’institution et redéfinie par des enseignants travaillant dans trois lycées différents, et (2) sur une analyse de l’activité d’un échantillon de leurs élèves. Les outils d’observation sont fondés sur le renoncement à une observation directe. Les activités sont regardées à travers des entretiens semi-directifs menés avec les enseignants sur le dispositif qu’ils conçoivent pour mettre en œuvre la prescription, à travers des entretiens semi-directifs menés avec les élèves sur les tâches qu’ils ont réellement effectuées, et à travers les signes produits par les uns et les autres. Les résultats montrent d’une part, que l’activité d’apprentissage est instrumentée plus par les représentations différentes que les enseignants ont de la situation de référence prescrite que par leur représentation d’un état prescrit de compétence de conception. D’autre part, bien que l’activité de l’élève soit motivée par l’obtention du baccalauréat et non par la conception d’artefacts, il élabore des instruments sémiotiques et matériels propres à l’activité des étudiants qui apprennent à devenir designers

Determination of flux distribution functions of neutral and ionized species in HiPIMS process and correlations with deposited TiN thin layers

La thèse s’inscrit dans la problématique du dépôt de couches minces en procédés de pulvérisation réactive cathodique magnétron continu basse puissance (R-DC) et pulsé haute puissance (R-HiPIMS). Le mode réactif consiste à ajouter, dans l’argon, un gaz réactif tels que l’oxygène ou l’azote. Les oxydes et les nitrures ont de très nombreuses applications industrielles. Néanmoins, les exigences des nouvelles applications nécessitent de mieux comprendre, contrôler et maîtriser les processus fondamentaux gouvernant le transport de la matière pour optimiser ces procédés plasmas. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier le transport des atomes pulvérisés de titane (Ti) en mélange Ar/N2 et d’établir des corrélations avec les propriétés des dépôts de type TiN. La fluorescence induite par diode laser (résolue en temps dans le cas du procédé HiPIMS) a été développée pour mesurer les fonctions de distribution en vitesse des atomes neutres Ti à l’état fondamental en fonction de la pression, de la distance par rapport à la cible et du mélange gazeux. Le degré de liberté supplémentaire qu'offre la dimension temporelle du plasma HiPIMS a permis de caractériser leur cinétique de transport en ayant la possibilité de séparer les temps caractéristiques des différents processus, et de mettre en évidence trois populations d’atomes (énergétique, quasi-thermalisée et thermalisée). Les fonctions de distribution en énergie des ions Ti+ ont été mesurées par spectrométrie de masse et des hypothèses sont proposées pour pouvoir expliquer les quatre populations identifiées. Enfin, les couches minces déposées ont été analysées par MEB, DRX et microsonde de Castaing.The growth of thin layers in reactive-direct current magnetron sputtering (R-DC) and reactive-high power impulse magnetron sputtering (R-HiPIMS) processes is the general framework of this PhD. Reactive processes consist in the addition, in argon gas, of a reactive gas such as oxygen or nitrogen, and allow the deposition of oxides and nitrides which have many industrial applications. Nevertheless, the high level of expectations regarding new applications requires a better understanding, controlling, mastering of basic processes governing atoms transport in the view of process optimization. The main goal of this PhD is to study the transport of sputtered titanium atoms (Ti) in Ar/N2 gas mixture and to establish correlations with TiN film properties. Tunable diode laser induced fluorescence technique (time resolved in the case of HiPIMS process) has been developed in order to measure velocity distribution functions of neutral Ti atoms at the ground state, function of the pressure, the distance from the target and the gas mixture. In HiPIMS, the additional degree of freedom, given by time dimension, allowed to characterize their kinetic of transport while at the same time providing the possibility to separate characteristic time scales of different processes. Three atoms populations have been highlighted (energetic, quasi-thermalized and thermalized ones). Energy distribution functions of Ti+ ions have been measured using mass spectrometry and four populations have been observed and explained. Finally, deposited thin films have been analyzed by means of SEM, XRD and electron microprobe methods

Learning situations and design activities in French design and applied arts curriculum : representations and instruments

Dans la formation du baccalauréat STD2A, il n’est pas question d’enseigner à des élèves la profession de designer, contrairement aux formations supérieures, mais de les préparer à intégrer ces formations. Son objectif est de donner plus des éléments de compréhension des démarches de conception qu’une compétence professionnelle de designer. La finalité de ce travail est de regarder comment l’activité de conception est enseignée au lycée. Le cadre théorique interroge les articulations entre activité, instrument, milieu, tâche et compétences et activité de conception. Le cadre de l’étude a été circonscrit à l’épreuve certificative « Projet en Design et AA » . La méthodologie s’appuie (1) sur une analyse a priori de la tâche prescrite par l’institution et redéfinie par des enseignants travaillant dans trois lycées différents, et (2) sur une analyse de l’activité d’un échantillon de leurs élèves. Les activités sont regardées à travers des entretiens menés avec les enseignants sur le dispositif qu’ils conçoivent, à travers des entretiens menés avec les élèves sur les tâches qu’ils ont réellement effectuées, et à travers les signes produits par les uns et les autres. Les résultats montrent d’une part, que l’activité d’apprentissage est instrumentée plus par les représentations différentes que les enseignants ont de la situation de référence prescrite que par leur représentation d’un état prescrit de compétence de conception. D’autre part, bien que l’activité de l’élève soit motivée par l’obtention du baccalauréat et non par la conception d’artefacts, il élabore des instruments sémiotiques et matériels propres à l’activité des étudiants qui apprennent à devenir designers.The secondary school leaving certificate in Science and Technology: Design and Applied Arts prepares pupils to integrate postsecondary design programmes.The purpose of this study was to investigate how design activity is taught in secondary school. In an attempt to highlight the impact of the environment on the learning activity, the theoretical framework questions the relationship between activity, instrument, environment, task and skills, design activity.The study favoured an exploratory analysis based on the observation of real situations in an unambiguous and operational way. The scope of the study was limited to the certification exam “Project in D and AA”. The research design was empirical and based on (1) a priori analysis of the task prescribed by the institution and redefined by teachers belonging to three different high schools, and (2) an analysis of the activity of a sample of their pupils. Observation tools were based on the abstention from direct observation. The activities were viewed: through interviews conducted with teachers; through interviews conducted with pupils on the tasks they have actually accomplished; through the signs produced by teachers and pupils. The results show that the learning activity is instrumented to a greater extent by the different representations teachers have of the prescribed reference situation than by their representation of a prescribed state of design skills. In addition, although the pupil’s activity was motivated by the obtention of a school leaving certificate and not by the design of artefacts, the pupil develops semiotic and material instruments specific to the activity of students who train to become designers

Enseigner le design avant les enseignements professionnels du design

International audienc

Détermination des fonctions de distribution des flux des espèces neutres et ionisées en procédé HiPIMS et corrélations avec les couches minces de type TiN déposées

Texte intégral accessible uniquement aux membres de l'Université de LorraineThe growth of thin layers in reactive-direct current magnetron sputtering (R-DC) and reactive-high power impulse magnetron sputtering (R-HiPIMS) processes is the general framework of this PhD. Reactive processes consist in the addition, in argon gas, of a reactive gas such as oxygen or nitrogen, and allow the deposition of oxides and nitrides which have many industrial applications. Nevertheless, the high level of expectations regarding new applications requires a better understanding, controlling, mastering of basic processes governing atoms transport in the view of process optimization. The main goal of this PhD is to study the transport of sputtered titanium atoms (Ti) in Ar/N2 gas mixture and to establish correlations with TiN film properties. Tunable diode laser induced fluorescence technique (time resolved in the case of HiPIMS process) has been developed in order to measure velocity distribution functions of neutral Ti atoms at the ground state, function of the pressure, the distance from the target and the gas mixture. In HiPIMS, the additional degree of freedom, given by time dimension, allowed to characterize their kinetic of transport while at the same time providing the possibility to separate characteristic time scales of different processes. Three atoms populations have been highlighted (energetic, quasi-thermalized and thermalized ones). Energy distribution functions of Ti+ ions have been measured using mass spectrometry and four populations have been observed and explained. Finally, deposited thin films have been analyzed by means of SEM, XRD and electron microprobe methods.La thèse s’inscrit dans la problématique du dépôt de couches minces en procédés de pulvérisation réactive cathodique magnétron continu basse puissance (R-DC) et pulsé haute puissance (R-HiPIMS). Le mode réactif consiste à ajouter, dans l’argon, un gaz réactif tels que l’oxygène ou l’azote. Les oxydes et les nitrures ont de très nombreuses applications industrielles. Néanmoins, les exigences des nouvelles applications nécessitent de mieux comprendre, contrôler et maîtriser les processus fondamentaux gouvernant le transport de la matière pour optimiser ces procédés plasmas. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier le transport des atomes pulvérisés de titane (Ti) en mélange Ar/N2 et d’établir des corrélations avec les propriétés des dépôts de type TiN. La fluorescence induite par diode laser (résolue en temps dans le cas du procédé HiPIMS) a été développée pour mesurer les fonctions de distribution en vitesse des atomes neutres Ti à l’état fondamental en fonction de la pression, de la distance par rapport à la cible et du mélange gazeux. Le degré de liberté supplémentaire qu'offre la dimension temporelle du plasma HiPIMS a permis de caractériser leur cinétique de transport en ayant la possibilité de séparer les temps caractéristiques des différents processus, et de mettre en évidence trois populations d’atomes (énergétique, quasi-thermalisée et thermalisée). Les fonctions de distribution en énergie des ions Ti+ ont été mesurées par spectrométrie de masse et des hypothèses sont proposées pour pouvoir expliquer les quatre populations identifiées. Enfin, les couches minces déposées ont été analysées par MEB, DRX et microsonde de Castaing