On phenomena in ionized gases

VUV Radiation from Streamers  

 

A. Neuber

P

1

, A. Fierro

2

, J. Stephens

3

  

 

P

1

P

 ECE Dept., Ctr. for Pulsed Power & Power Electronics, Texas Tech University, Lubbock, TX, USA  

2

 Applied Optical and Plasma Sciences, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM, USA 

3

 Plasma Science and Fusion Center, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA  

 

The self-produced light emission from pulsed streamer discharges is  challenging to characterize 

through experiment or modeling; on the one hand, the high absorption cross sections make VUV 

detection often impossible, on the other hand, the large number of radiating species clashes with 

computer memory limitations. Two principal methods of efficiently detecting VUV radiation from 

streamers in atmospheric gases, including air, are introduced. These methods cover the wavelength 

range from 80 to 180 nm. The experimental results are supplemented with modeling the increase in 

charge carrier density and VUV intensity through implementing a  parallel computing Particle-in-

Cell /Monte Carlo Collision model, which is capable of discretely tracking photons and their 

corresponding wavelengths. Radiative transitions from the c’

4

Σ

+

u

 (Carroll–Yoshino) singlet state of 

N

2

 are found to be a dominant contributor for streamer propagation in air. 

 

1. Background 

It  is generally accepted that photoionization, PI, 

and photoemission play a critical role during 

discharge inception. Their impact, however, has 

typically been lumped in the  simplest  case into a 

single feedback constant or  more sophisticated into 

some  actual spectral modeling. While the former is 

more of an empirical attempt that is unable to cover 

a large parameter space, the latter has suffered from 

the  lack  of  fundamental transition data. This work 

addresses  both: Verification of major transitions in 

the VUV in gases at atmospheric pressure, including 

air, and advanced photon modeling  [1, 2]  in a first 

principle based approach. 

2. Experimental Approach 

To reasonably extract VUV radiation from a 

developing streamer, the propagation distance 

through the surrounding gas (at ~ 1 atm pressure) 

has to be kept in the sub-mm range considering that 

the absorption depth is  typically  in the mm range. 

Thus, two methods were successfully explored, a) 

streamer breakdown across a VUV transmitting 

surface, which yielded experimental spectra down to 

120 nm, and b) pulsed volume breakdown in a high-

pressure gas puff, spectral range down to 80 nm.  

3. Results 

As an example, the theoretical spectra of N I and 

O I, calculated assuming a Boltzmann distribution of 

the excited states  are compared with the 

experimentally recorded VUV emission of air 

breakdown in the streamer phase, see Fig.  1. Other 

experiments identify PI critical emission  as  the  N

2

 

c

′

4

Σ

u

+

(0)– X

1

Σ

g

+

(1)

 

band and O

 

I and O

 

II transitions.  

The experimentally verified transitions gave rise to 

the PI driven streamer modeling, see Fig. 2. 

  

 

Fig. 1. (top) Experimental VUV spectra of the developing 

breakdown. (bottom) Theoretical spectra [3] 

 

 

Fig. 2. 2D Streamer modeling with a 2 ns risetime, 60 kV 

voltage excitation applied to the top plane. Gaussian seed 

density near anode (top), no other background [2]. 

 

4. References 

[1] A. Fierro, J. Stephens, S. Beeson, J. Dickens, 

and A. Neuber, Phys. Plasmas, 23 (2016) 013506. 

[2] J. Stephens,  A.  Fierro,  S.  Beeson,  G.  Laity, 

D.  Trienekens,  R.P.  Joshi,  J.  Dickens,  A.  Neuber, 

Plasma Sources Sci. Technol. 25 (2016) 025024.

 

[3]  A.  Fierro, G. Laity, A. Neuber,  J. Phys. D: 

Appl. Phys. 45 (2012) 495202.

 

Topic number 

3

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Plasma-material Interactions: diagnostics and control 

 

M. Hori

P

1

P

 

 

P

1

P

 Institute of Future Society for Innovation, Nagoya University, Japan 

 

 

In  order  to  realize  high  performances  of  plasma  material  processes,  various  kinds  of  plasma 

diagnostics  techniques  have  been  developed.  These  processes  were  basically  determined  by  the 

interaction of plasma with the surface of materials. Therefore, it is extremely important to diagnose 

and control the kinetics of the surface reactions with a high accuracy. The science and technologies 

on plasma-material interactions will be overviewed and the forward prospective is mentioned. 

 

1. Introduction  

Plasma  etching  and  deposition  processes  have 

been  core  technologies  to  make  the  manufacturing 

innovation,  such  ultralarge  integrated  circuits 

(ULSIs)  etc.  In  these  processes,  the  quantitative 

measurement and the  spatiotemporal  control of ion, 

radical and light in the  reactive  plasma became key 

issues to obtain high processing performances as well 

as  the  establishment  of  the  plasma  process  science. 

Here,  the  interaction  of  plasma  with  the  material 

surfaces has been investigated by employing various 

kinds  of  diagnostics  techniques  not  only  in  the  gas 

phase but also in the surface. The advanced methods 

to control them have been introduced.  

 

2. Experimental and results 

The  solar  cell  devices  with  a-Si  and  μc-Si  thin 

films  have  been  fabricated  employing  a  plasma 

enhanced chemical vapor deposition (PECVD) with 

SiH

4

/H

2

 gases. In this processing, SiH

3

 and H radicals 

which  were  reported  to  play  important  roles  were 

measured at a relatively high pressure of 1 kPa in a 

capacitively coupled VHF of 60 MHz excited plasma 

by using the cavity ring down spectroscopy (CRDS) 

and the vacuum violet laser absorption spectroscopy 

(VUVLAS), 

respectively. 

Additionally, 

the 

behaviors  of  higher  order  species  in  the  condition 

were  evaluated  by  using  the  quadruple  mass 

spectroscopy.  The  systematical  measurement  of 

behaviors  of  species  in  the  gas  phase  enabled  us  to 

evaluate the sticking  coefficiencies  of  these  species 

on  material  surfaces.  Considering  the  surface  loss 

probability of 0.5 for SiH

3

 radical and 1 for H radical, 

it was found that SiH

3

 radical constituted 45% of the 

deposition  precursors  and  the  others  will  be  higher 

order radicals [1]. On the basis of these diagnostics 

results, the control technology to synthesize films of 

high quality at a higher deposition rate was proposed. 

   The SiO

2

 etching processes with a high aspect 

ratio in ULSIs have been investigated employing 

the  fluorocarbon  gas  chemistry.  In  this 

processing,  synergetic  effects  of  fluorocarbon 

radicals  with  the  ion  bombardment  with  a  high 

energy formed the intermediated layers between 

fluorocarbon films and the SiO

2

 surfaces during 

the  etching.  Control  of  such  a  layer  induced  by 

the plasma is a key issue for the etching of SiO

2

. 

It  is  so  difficult,  however,  to  identify  the 

chemical  composition  of  layers  and  design  the 

structures for obtaining the high performances of 

etching

. Then, the thin SiOF intermediate layer < 

2  nm  in  thickness  induced  by  the  C

4

F

6

/O

2

/Ar 

etching plasma was precisely analysed by the ex 

situ 

time-of-flight 

secondary 

ion 

mass 

spectroscopy  (TOF-SIMS)  using  a  C

60

2+

 

sputtering. The clearly observed signal of SiOF

-

, 

SiO

2

F

-

 and Si

2

O

4

F

-

 between the top fluorocarbon 

film and the SiO

2

 were found to be a key layer to 

be controlled for the etching [2]. 

Recently,  the  non-equilibrium  atmospheric 

pressure plasma was applied to the cleaning and 

modification of the material surfaces. The O and 

N atoms together with UV were measured by the 

VUV  absorption  spectroscopy  and  optical 

emission spectroscopy (OES). The interaction of 

O  radical  and  UV  attributed  to  NO-γ  with  the 

organic  contamination  of  glass  decomposed 

organic monolayers for the surface cleaning [3]. 

 

3. References 

[1]  Y.  Abe  et  al.,  Appl.  Phys.  Lett.  110  (2017) 

043902. 

[2]  Y.  Ohya  et  al.  J.  Vac.  Sci.  Technol.  A34 

(2016) 040602. 

[3] M. Iwasaki et al. Jpn. J. Appl. Phys. 46 (23), 

2007 L540. 

Topic number 

4

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Unified model of the streamer initiated gas breakdown 

 

M. Černák

1

P

, T. Hoder

1

, Z. Bonaventura

1

P

 

 

P

1

P

 Department of Physical Electronics, Masaryk University, Brno, Czech Republic 

 

A  common  feature  of  the  discharges  at  near-atmospheric  pressures  is  that  the  most  important 

physical processes leading to the formation of non-equilibrium plasmas occur on the time scales of 

10

-9

s in regions of characteristic size of 0.1 mm. The reasons for the unsatisfactory understanding 

of such phenomena are both experimental and computer simulation constraints. They are given by 

the  ultra-fast  changing  basic  plasma  parameters  on  given  extremely  small  areas.  Based  on 

experimental  study  and  computer  simulations  of  the  cathode  spot  formation  for  a  wide  range  of 

electrode  geometries  and  materials,  an  integrated  model  describing  a  wide  range  of  streamer 

micro-discharges and pre-breakdown phenomena will be presented.  

 

1. Introduction 

Since ”the development of atmospheric–pressure 

plasma  sources  to  replace  plasma  processing  in 

vacuum  systems  is  a  current  trend  in  industrial 

plasma engineering” [1] in the last two decades the 

centre of both experimental and theoretical study of 

the  gas  discharge  ionisation  phenomena  has  been 

shifted  from  the  low-pressure  gas  discharges  to  the 

discharges  generated  at  near-atmospheric  pressures 

[2].  

A  common  feature  of  the  discharges  at  near-

atmospheric  pressures  is  that  the  most  important 

physical  processes  leading  to  the  formation  of  non-

equilibrium plasmas occur on the time scales of 10

-9

s 

in  regions  of  characteristic  size  of  0.1  mm.  This  is 

result of the fact that the discharge formation in such 

conditions  is  usually  associated  with  the  formation 

of  fast  and  narrow  ionization  waves,  termed 

”primary  streamers”  and  consequently,  such 

discharges  are  now  frequently  referred  to  as  micro-

discharges.  

The arrival of a primary streamer to the cathode 

forming  an  active  cathode  spot/region  marks  an 

important turning point in the development of micro-

discharges  and  is  a  significant  bottleneck  in  the 

understanding  of  the  micro-discharge  formation 

mechanism  [3].  Similar  phenomena  occur  also  as 

streamer-like  instabilities  in  the  cathode  region 

leading to the plasma filamentation and glow-to-arc 

transitions  in  various  types  of  atmospheric-pressure 

glow  discharges.  The  reasons  for  the  unsatisfactory 

understanding  of  such  phenomena  are  both 

experimental  and  computer  simulation  constraints: 

The  main  experimental  difficulties  are  due  to  small 

size  of  the  cathode  spots,  their  random  distribution 

on  the  cathode  surface,  and  the  nanosecond  time 

scale  of  their  formation.  As  a  consequence, 

computer simulations are the essential tools that can 

be used to increase our understanding of the cathode 

spot  formation.  The  simulations,  however,  are 

constrained by the fact that they typically fail as the 

streamer  reaches  the  cathode  due  to  instabilities 

introduced by numerical discretization. 

Based  on  experimental  study  and  computer 

simulations of the cathode spot formation for a wide 

range  of  electrode  geometries  and  materials,  an 

integrated theoretical model describing a wide range 

of  streamer  micro-discharges  and  pre-breakdown 

phenomena will be presented. Except for narrow-gap 

(˂  5.10

-6

m)  and  microwave  breakdowns,  the  model 

is  applicable  to  all  high-pressure  discharge  types, 

serving as a necessary guide in the selection of cases 

for  further  study  by  experiment  or  computer 

simulation, as well as for the design of atmospheric-

pressure sources of non-thermal plasmas. 

 

2. Acknowledgements 

This research was funded by the project LO1411 

(NPU I) of Ministry of Education Youth and Sports 

of Czech Republic.

 

 

3. References 

[1] J.R. Roth, Industrial Plasma Engineering., Vol.2: 

Appl.  to  Non-thermal  Plasma  Processing”  IOP 

Publishing Ltd. 2001, ISBN 

9780750305440 

[2] K.H. Becker, U. Kogelschatz, K.H. Schoenbach, 

R.J. Barker (eds.), Non-Equilibrium Air Plasmas At 

Atmospheric  pressure, 

IOP  Publishing  Ltd.  2004, 

ISBN 

9780750309622 

[3] T. Hoder, M. Černák, J. Paillol, D. Loffhagen, R. 

Brandenburg,  Physical  Review  E  86  (2012) 

05540190 (R)

 

 

Topic number 3 

5

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Microwave Plasmas Applied for Synthesis of Free-Standing Carbon 

Nanostructures at Atmospheric Pressure Conditions

 

 

Elena Tatarova  

 

P

Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal  

 

This  lecture  addresses  selective,  single  step  synthesis  of  advanced  free-standing  carbon 

nanostructures  using  microwave  driven  plasmas  at  atmospheric  pressure  conditions.  Controllable 

bottom-up  self-organization  of  graphene,  N-graphene  sheets  and  nanodiamonds  achieved  via 

tailoring of the plasma environment is discussed

.  

 

Recently  a  renewed  interest  to  carbon 

materials  has  been  generated  as  new  advanced 

carbon  nanostructures  are  being  introduced 

bringing  new  prospects  for  applications. 

Multiple  processes  have  been  reported  for  free-

standing 

carbon 

nanostructures 

synthesis, 

corresponding  to either "top-down" or "bottom-

up"  approaches.  It  is  to  be  noted  that  the  main 

challenge  of  conventional,  i.e.,  widely  used 

chemical  routes,  is  the  very  limited  control,  or 

lack of, over the synthesis process.

 

Our  work  extends  the  scope  of  previous 

efforts 

to 

fabricate 

free-standing 

carbon 

nanostructures  using  large-scale  configurations 

of  microwave  plasmas  driven  by  surface  waves 

at  atmospheric  pressure  conditions  [1-5].  Here, 

we  present  a  microwave  plasma-enabled 

scalable  route  for  a  single  step,  continuous, 

synthesis  of  free-standing  graphene  sheets  and 

nanodiamond  particles.  The  method’s  crucial 

advantage  relies  on  harnessing  unique  plasma 

mechanisms  to  control  the  material  and  energy 

fluxes  of  the  main  building  units  (C

2

,C)  at  the 

atomic  scale  level.  By  tailoring the high energy 

density 

plasma 

environment 

a 

selective 

synthesis of high quality graphene sheets at high 

yield  (2  mg/min)  with  prescribed  structural 

qualities  was  attained.  A  high  level  of  control 

over  oxygen  functionalities  and  sp

2

/sp

3

  carbon 

ratios has been achieved and with approximately 

40%  of  the  graphene  being  synthesized  in  the 

form  of  single  atomic  layers.  The  method  is 

highly  cost-efficient,  fast  and  environmentally 

friendly,  since  it  does  not  require  the  use  of 

catalysts  and  noxious  chemicals.  It  is  also 

versatile,  allowing  the  synthesis  of  different 

types of 2D nanostructures (e.g. N-graphene) in 

the  same  reactor.  Furthermore,  the  high  energy 

density  of  the  generated  plasma  allows  the  use 

of gaseous, liquid or solid carbon precursors.  

Here  we  intent  to  provide  substantial 

evidence 

that 

microwave 

plasma 

based 

technologies  are  a  highly  competitive,  green, 

cost-effective and disruptive alternative route to 

presently  used  cumbersome,  toxics  dependant, 

multistep conventional methods.  

 

Acknowledgements 

This  work  was  funded  by  Portuguese  FCT—

Fundação  para  a  Ciência  e  a  Tecnologia,  under 

Project 

UID/FIS/50010/2013, 

Project 

INCENTIVO/FIS/LA0010/2014, 

and 

grant 

SFRH/BD/52413/2013 (PD-F APPLAuSE)  

 

References 

[1]  E.  Tatarova,  N.  Bundaleska,  J.Ph.  Sarrette 

and  C.M.Ferreira,  Plasma  Sources  Sci.  Technol.  23 

(2014) 063002. 

[2]  E.  Tatarova,  J.  Henriques,  C.C.  Luhrs,  A. 

Dias,    J.  Phillips,  M.V.  Abrashev  and  C.M. 

Ferreira,. Appl. Phys. Lett. 103 (2013) 134101. 

[3]  E.Tatarova,  A.  Dias,  J.  Henriques,  A.M. 

Botelho de Rego, A.M. Ferraria, M. Abrashev, C.C. 

Luhrs, J. Phillips, F.M. Dias, C.M. Ferreira, J. Phys. 

D: Appl. Phys. 47 (2014) 385501. 

[4]  A.  Dias,  N.  Bundaleski,  E.  Tatarova,  F.M. 

Dias, M. Abrashev, U. Cvelbar, O.M.N.D. Teodoro, 

J.  Henriques  J.  Phys.  D:  Appl.  Phys.  49  (2016) 

055307.  

[5]  D.  Tsyganov,  N.  Bundaleska,  E.  Tatarova, 

A.Dias,  J.  Henriques,  A.  Rego,  A.  Ferraria,  M.V. 

Abrashev, F.M. Dias, C.C. Luhrs, J. Phillips, Plasma 

Sources Sci. Technol. 25 (2016) 015013. 

Topic number 

6

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 

Surface and volume kinetics of molecules in air depollution processes 

 

Christelle Barakat

1

, XianJie Wang, Loganathan Sivachandiran,

1-3

, Zixian Jia

1

, Olivier 

Guaitela

1

, Frédéric Thevenet

2,3

, Antoine Rousseau

1

 

 

1

LPP, Ecole Polytechnique, UPMC, Université Paris Sud 11, CNRS, Palaiseau, France

 

2

Université Lille Nord-de-France, F-59000 Lille, France 

3

Mines Douai, CE, F-59508 Douai, France 

[e-mail] 

 

Plasma-catalyst  coupling  for  air  depollution  has  been  extensively  studied  for  more  than  two  dec-

ades. Studies dealing with the plasma induced heterogeneous reactivity are analysed as well as the 

possible modifications of the catalyst surface under plasma exposure. Alternatively to the conven-

tional  and  widely  studied  plasma  catalyst-coupling,  a  sequential  approach  has  been  recently  pro-

posed, where pollutants are first adsorbed on the material, then oxidized by switching on the plas-

ma. This allows direct monitoring of surface reactions decoupled from gas phase reactions. 

 

1.  Plasma-catalyst  coupling  for  Volatile  Organic 

Compounds oxidation

 

Plasma-catalyst  coupling  has  proven  to  be  very 

effective for the destruction of diluted pollutants and 

is  therefore  suitable  for  indoor  air-treatment  [1]. 

Now  commercially  available  indoor  air  treatment 

units  can  be  found  on  the  market.  Most  of  these 

devices  combine  dielectric barrier discharge (DBD) 

or  corona discharges with an adsorbent, which may 

have a catalytic activity. The plasma generates high-

ly  oxidizing  species  at  low  energetic  cost,  which 

oxidize the pollutants. The respective importance of 

gas  phase  oxidation  versus  surface  oxidation  has 

long been discussed.  

 Historically,  various  high  dielectric  permittivity 

materials (BaTiO

3

, TiO

2

, …) were introduced inside 

the plasma region, partly to favours plasma ignition 

and  energy  transfer  [2]  as  well  as  high  mineralisa-

tion  (complete  oxidation  to  CO

2

)  [3].  The  positive 

effect  of  a  porous  material  inserted  in  a  discharge 

was  evidenced  [4].  Because  of  the  diffusion  of  the 

species  inside  the  porous  structure  of  alumina  and 

silica,  active  species  lifetime  and  Volatile  Organic 

Compounds  (VOC)  residence  time  increase  favour-

ing higher mineralization.