On phenomena in ionized gases


vapour deposition in open-air system


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet30/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   ...   26   27   28   29   30   31   32   33   ...   85

vapour deposition in open-air system 

 

H. Yagi



P

1*

P



, S. Yudate

U

2



, H. Motomura

P

2



P

, M. Jinno

P

2

 



 

P

1



Department of Industrial Innovation, Faculty of Collaborative Regional Innovation, Ehime University, 

P

2



Department of Electrical and Electronic Engineering, Faculty of Engineering, Ehime University, 

 

3 Bunkyo, Matsuyama, 7908577, Japan 

 (*)


 

yagi@dpc.ehime-u.ac.jp

 

 

Reactive plasma has been generated under the open air condition by microwave excitation of 



a downstream flowing mixture of hydrogen and methane.  The plasma torch having the shielding gas 

flow was employed to eliminate the effect from the atmospheric gas such as nitrogen and oxygen. The 

carbon films were deposited in the methane concentration about 10% (CH

4

/H



2

). The films have DLC 

properties from the Raman spectra. The intensity ratio of bonding energy sp

2

/(sp



2

+sp


3

) was 0.7. The 

films were smooth, flat and hard. 

 

1. Introduction 

In recent days, plasma phenomena and its process 

under  atmospheric  pressure  have  been  widely 

researched.  The  plasma  process  under  atmospheric 

pressure  will  be  high  in  deposition/etching  rate  in 

spite of its controllability of plasma.   If the process 

under atmospheric pressure realizes in “the open-air”, 

the  processing  system  becomes  simple  and  the 

controllability  of  substrates  such  as  the  processing 

area  and  the  handling  of  substrates,  and  also  the 

processing  rate  becomes  high  in  proportion  to  the 

pressure.  But  there  are  not  enough  data  about  the 

films  deposited  in  the  open-air  condition.  We 

researched  about  the  influences  of  the  atmospheric 

gas and the atmospheric pressure as the high pressure 

CVD process to the deposited films.  

2. Instructions 

2.1. Design of Torch 

Experimental  setup  employed  in  this  study  is 

schematically  shown  in  fig.1.  Microwave  power  is 

supplied by a semiconductor generator at 2.45 GHz. 

The microwave is guided to the co-axial waveguide 

by  a  rectangular-to-coaxial  line  transition.  The 

process gase mixed with hydrogen and methane were 

supplied through the gap between outer electrode and 

inner  electrode  to  the  end  of  nozzle.  The  plasma  is 

torched  between  the  end  of  inner  electrode  and  the 

substrate  caused  by  the  high  electric  field  between 

them.  The  shield  gas  of  helium  was  supplied  to 

separate between the plasma and the atmosphere. 

2.2 Experimental conditions 

     Experimental  conditions  employed  in  the 

present study were as follows. The flow rate of 

CH

4



, H

2

 and He were 15 sccm, 150 sccm and 165 



sccm, respectively. The incident power is 50 W, 

and the processing time was 10 min. The silicon 

and stainless steel substrates were used for the 

deposition, and the gap between the nozzle and 

the substrate was 1.0 mm.  

3. Results 

Fig.2  shows  the  Cls 

X-ray  Photoelectron 

Spectrum


 of the film deposited on the stainless steel 

(JIS:SUS304). The intensity ratio of bonding energy 

sp

2

/(sp



2

+sp


3

) is about 0.7. The profile corresponding 

to C=O bond is found in the figure. 

 

14 



Fig.2 

The  Cls  XPS  of  the  film  deposited  on 

the stainless steel.

 

143



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

 

 



Ignition behaviour of atmospheric-pressure dielectric barrier discharges  

in argon with admixtures of hexamethyldisiloxane and tetramethylsilane 

 

M. M. Becker 



1

, J. Philipp 

2

, A. K. Czerny 



2

, C.-P. Klages 

2

, and D. Loffhagen 



1

  

 



1

 

INP Greifswald, Felix-Hausdorff-Str. 2, 17489 Greifswald, Germany 



2

 

TU Braunschweig, Institut für Oberflächentechnik, Bienroder Weg 54 E, 38108 Braunschweig, Germany 

 

The impact of small admixtures of the precursors hexamethyldisiloxane and tetramethylsilane on 



the  ignition behaviour of dielectric  barrier discharges in argon at  atmospheric  pressure  has been 

analysed by means of a time-dependent, spatially one-dimensional fluid model and measurements. 

A drop of the ignition voltage by about 60

 

% is found when adding up to 200



 

ppm of precursor gas 

to  argon.  Very  good  agreement  between  measured  data  and  modelling  results  is  obtained  when 

assuming that 30

 

% of the collisions between excited argon atoms and precursor gas lead to Penning 



ionization. 

  

Dielectric barrier discharges (DBD) represent the 



main approach for plasma-enhanced chemical vapour 

deposition  (PECVD)  processes  and  facilitate  the 

scale-up  for  industrial  processing.  Silicon-organic 

coatings can be achieved by  mixing precursors like 

hexamethyldisiloxane  (HMDSO)  or  tetramethyl-

silane (TMS) to the carrier gas used by the DBD [1]. 

A  detailed  understanding  of  the  impact  of  the 

precursor admixtures on the discharge properties like 

ignition  voltage  and  energy  consumption  is  highly 

important for DBD-based PECVD processing. Here, 

a  fluid  modelling  approach  is  combined  with 

measurements  to  analyse  the  impact  of  small 

admixtures  of  HMDSO  and  TMS  to  argon  on  the 

ignition behaviour of the DBD. 

The  investigations  were  performed  by  means  of 

the time-dependent, spatially one-dimensional fluid-

Poisson model for argon DBD reported in [2], which 

was extended by an appropriate reaction kinetics for 

HMDSO  and  TMS,  respectively.  The  numerical 

studies  are  based  on  the  experimental  conditions 

described in [1]. A symmetric plane-parallel electrode 

configuration  was  used  with  a  thickness  of  the 

dielectrics  of  2 mm  and  a  gap  width  of  1 mm.  The 

discharge is driven by a sinusoidal voltage supply at 

86.2 kHz. The ignition voltage was determined by a 

stepwise  increase  of  the  applied  voltage  until  the 

discharge was ignited and covered the entire electrode 

area of 8 cm

2

.  


Results of the ignition voltage in dependence on 

the precursor concentration x are shown in figure 1. It 

has  been  found  experimentally  that  the  ignition 

voltage U

i

 of the considered argon DBD decreases by 



about 60

 

% with the admixture of HMDSO and TMS, 



respectively,  in  the  range  from  0  to  200

 

ppm.  The 



modelling-based  analysis  of  the  ionization  budget 

shows that the impact of Penning ionization processes 

mainly causes the observed decrease of U

i

. Very good 



agreement  between  measurements  and  numerical 

results  was  obtained  using  rate  coefficients  for  the 

collisions of precursor gas with excited argon atoms 

based on the works of Jauberteau et al. [3,

 

4] and a 



fraction of 30

 

% of these collision processes leading 



to Penning ionization. 

 

 



Figure  1:  Ignition  voltage  in  atmospheric-pressure  argon 

DBD with admixtures of HMDSO (a) and TMS (b). 



Acknowledgment 

The work was supported by the German Research 

Foundation  under  grants  LO  623/3-1  and  KL 

1096/23-1  as  well  as  in  the  framework  of  the 

Collaborative  Research  Centre  Transregio  24 

“Fundamentals of Complex Plasmas”. 



References 

 [1]  J. Philipp et al., Plasma Process. Polym. 13 

(2016) 509–520. 

[2]  M. M. Becker et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 



46 (2013) 355203. 

[3]  J. L. Jauberteau et al., J. Phys. Chem. A 116 

(2012) 8840−8850. 

[4]  J. L. Jauberteau et al., Chem. Phys. Lett. 327 

(2000) 351–358.  

Topic number 10 

144


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

Water treatment using micro-bubble assisted three dimensionally

integrated micro solution plasma

Y. Ishida

P

,

U



H. Masunaga

P

, T. Shirafuji



P

Department of Physical Electronics and Informatics, Osaka City University, Osaka, Japan

We have performed water treatment for decomposing organic contaminants in water using micro-

bubble assisted three-dimensionally integrated micro solution plasma (3D IMSP). The original 3D

IMSP reactor without micro-bubble assistance cannot generate plasma when water to be treated

has electrical conductivity of 200 μS/cm or higher. The novel micro-bubble assisted 3D IMSP

reactor, on the other hand, can generate plasma in the water with electrical conductivity up to 500

μS/cm. Ignition and sustain voltages for plasma are also reduced. These results indicate that micro-

bubble assistance brings about low-power consumption and extension of application area in water

treatment by 3D IMSP.

1. Introduction

Plasma in liquid has attracted much attention

because of their possible applications for solving

water-related environmental issues. We have

previously proposed a novel three-dimensionally

integrated micro solution plasma (3D IMSP) reactor,

which can generate a large amount of microplasmas

in a porous dielectric material filled with a gas/liquid

mixed  medium  [1].  However,  3D  IMSP  is  not

effective for the treatment of an aqueous solution

with a high electrical conductivity [2], which was

one of disadvantages of 3D IMSP.

In this work, we have introduced micro bubbles

into the 3D IMSP reactor in order to treat water with

higher electrical conductivity.

2. Experimental setup

We employed micro-bubble generator (Hack

UFB, FB11) as a substitute of the liquid circulation

pump used in our previous 3D IMSP reactor [1]. The

aqueous solutions used for this experiment had

electrical conductivities of 1, 10, 100, 200, 500, and

1000

μ

S/cm,  which  were  prepared  by  mixing  KCl



with deionized water.

3. Results and discussion

Figure 1 shows effects of micro-bubble

assistance  on  the  operation  of  3D  IMSP.  We  can

confirm that the micro-bubble assisted 3D IMSP

reactor can generate plasma in the aqueous solution

with electrical conductivity up to 500

μ

S/cm, while



conventional 3D IMSP reactor cannot. Furthermore,

micro-bubble assistance has an effect of reducing the

ignition and sustain voltages of 3D IMSP as shown

in Fig. 2, which means that we can suppress energy

consumption for the water treatment by micro-

bubble assisted 3D IMSP.



Acknowledgement

This work was partly supported by JSPS MEXT

KAKENHI Grant Numbers 15H03585 and

15K13391.



References

[1]  T. Shirafuji and Y. Himeno, Jpn. J. Appl. Phys.



52, 11NE03 (2013).

[2]  T. Shirafuji, J. Ueda, A. Nakamura, S. -P. Cho,

N. Saito, and O. Takai, Jpn. J. Appl. Phys. 52,

126202 (2013).

17

Fig. 2 Effects of micro-bubble assistance on the



ignition and sustain voltages of 3D IMSP.

6

5

4

3

2

Ig

n

it

io

n

an

d

su

st

a

in

vo

lt

a

g

e

s

(k

V

)

600

500

400

300

200

100

0

Electrical conductivity (uS/cm)

without micro bubbles

Ignition

Sustain

with micro bubbles

Ignition

Sustain

Plasma is generated

only with bubble assistance

Maximum voltage

of the power source

Fig. 1 Effects of micro-bubble assistance on the

operation of 3D IMSP.

with

micro

bubbles

without

micro

bubbles

100 uS/cm

200 uS/cm

500 uS/cm

1 mS/cm

100 uS/cm

200 uS/cm

500 uS/cm

1 mS/cm

145


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

Solution-plasma synthesis of a gold-nanoparticle-containing

polymer membrane on aqueous solution

Y. Nakamura

1

, S. Azuma



1

, T. Isshiki

2

, T. Shirafuji



1

1

Department of Physical Electronics and Informatics, Osaka City University, Osaka, Japan

2

Department of Electronics and Systems, Kyoto Institute of Technology, Kyoto, Japan

We have generated dielectric barrier discharge (DBD) of argon gas on HAuCl

4

 aqueous solution for



synthesizing gold nanoparticles. If we add gelatine to HAuCl

4

aqueous solution, we obtain a



wine-red coloured membrane on the aqueous solution by the DBD. The membrane has fibrous

structure composed of polymerized gelatine, which has been confirmed through optical microscope

observation and infrared absorption spectroscopy of the membrane. In addition, we have confirmed

that dispersed gold nanoparticles are incorporated in the membrane, which has been confirmed

through energy dispersive X-ray spectroscopy of the membrane and transmission electron

microscope observation of the edge of the membrane. Gold nanoparticles in the membrane are dense

and have fairly uniform size distribution depending on the position in the membrane.

1. Introduction

Solution plasma can be used for various

applications including nanoparticle synthesis and

liquid treatment [1]. However, there are few reports

on thin film formation using solution plasma [2]. In

this  work,  we  report  that  we  can  synthesize  a

free-standing and gold-nanoparticle-containing

gelatine membrane by using dielectric barrier

discharge (DBD) on aqueous solution.

2. Experimental setup

The aqueous solution was HAuCl

4

 (0.3 mM)



aqueous solution with gelatine. Gas gap was 2 mm.

Applied voltage was bipolar pulse voltage (amplitude

4 kV, frequency 40 kHz, pulse width 4 μs). Typical

discharge time was 10 min. Discharge gas was argon.



3. Results and discussion

A wine-red coloured membrane is formed on the

surface of aqueous solution in contact with DBD as

shown  in  Fig.  1.  Infrared  absorption  spectra  of  the

membrane and energy dispersive X-ray spectra have

indicated that the membrane is made of polymerized

gelatine and gold. Figure 2 shows a transmission

electron microscope (TEM) image of the sample

taken from the outer edge of the membrane, which

indicates that gold nanoparticles are formed in the

membrane, and that they are dense and have uniform

size distribution. Such size regulation may be

explained in terms of immediate capture of reduced

gold near the outermost edge of the laterally growing

membrane. This method may be useful for preparing

size-regulated nanomaterials because the particle size

may be controlled by adjusting rates of reduction and

membrane growth.



Acknowledgements

This work was partly supported by JSPS MEXT

KAKENHI Grant Numbers 15H03585 and

15K13391.



References

[1] T. Shirafuji, J. Ueda, A. Nakamura, S.-P. Cho, N.

Saito, and O. Takai, Jpn. J. Appl. Phys. 52,

126202 (2013).

[2] H. Furusho, D. Miyamoto, Y. Nagasaki, K.

Kitano, and S. Hamaguchi, J. Photopolym. Sci.

Technol. 20, 229 (2007).

Fig. 2 A TEM image of the edge of the membrane.



100 nm

14

Fig. 1 The membrane formed on the HAuCl



4

/gelatine

aqueous solution by Ar DBD exposure.

1 cm

146


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

Time- and space-resolved optical emission spectroscopy

on dielectric barrier discharge of helium gas in contact with water

S. Kito


PP

, K. Obana,

U

T. Shirafuji



UPPP

 Deparment of Physical Electronics and Informatics, Osaka City University, Osaka, Japan

P

We have performed time- and space-resolved optical emission spectroscopy on a dielectric barrier



discharge of helium gas in a system consisting of a top metal syringe on a water surface. We have

observed streamer propagation from positive to negative electrodes for both polarities of applied

pulse voltages. After the streamer reaches the counter electrode, the discharge area has shown

glow-like structure, which is composed of a positive column, a Faraday dark, and a negative glow,

for both polarities. However, the negative glow formed on the water shows weaker emission

intensity than the positive column, as opposed to the fact that a negative glow should show higher

emission intensity than a positive column in the case of conventional glow-discharges in contact

with a solid electrode. This can be attributed to electron attachment by dense water vapor on the

water surface.

1. Introduction

Plasma in contact with liquid has attracted much

attention because of its various potential applications

[1]. However, characteristics of plasma in contact

with liquid have not yet fully understood. Shirai and

others  have  revealed  static  structure  in  a  DC

discharge on water [2]. In this paper, we report time

evolution of structure in a DBD on water, which is

observed by using time- and space-resolved optical

emission spectroscopy (OES).



2. Experimental Setup

 We  applied  time-  and  space-resolved  OES  on  a

DBD  of  helium  gas  on  a  water  surface.  The  top

electrode was a metal syringe to feed helium gas, and

the bottom electrode was a planar surface of

deionized  water  in  a  glass  petri  dish.  The  gas  gap

between them was 3 mm. Applied voltage was

bipolar pulsed voltage (amplitude 1.2 kV, frequency

10 kHz, pulse width 4 μs).

3. Results and discussion

Figures 1(a) and 1(b) show the time- and

space-resolved OES profiles for helium (587 nm)

when positive and negative pulses are applied on the

top electrode, respectively, in which a streamer

propagates from the positive electrode to negative

one. After the streamer reaches the counter electrode,

the discharge area exhibits a glow-discharge-like

structure composed of a positive column, Faraday

dark, and negative glow. These are common features

for both positive and negative polarity. However, the

negative glow formed on the water surface shown in

Fig. 1(a) has weaker emission intensity than the

positive column as opposed to a conventional

discharge on a metal electrode. This can be attributed

to electron attachment by dense water vapor near the

water surface.

Acknowledgements

This work was partly supported by JSPS MEXT

KAKENHI Grant Numbers 15H03585 and

15K13391.



References

[1]   P.  Bruggeman  and  C.  Leys,  J.  Phys.  D 42,

053001 (2009).

[2]  N. Shirai, M. Nakazawa, S. Ibuka, and S. Ishii,

Jpn. J. Appl. Phys. 48, 036002 (2009).

3

Fig. 1 Time- and space resolved OES profiles on a He plasma jet on water.



0 ns

20 ns

40 ns

60 ns

80 ns

100 ns

120 ns

140 ns

160 ns

180 ns

(a)

positive

phase

(b)

negative

phase

nozzle

nozzle

water

water

3

m

m

3

m

m

147


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

 

 



Diagnostics on aluminium dust explosion ignited by spark discharge 

 

M. Sankhe



P

1

P



U

S. Bernard



UP

2

P



, S. Pellerin

P

1



P

, P. Gillard

2

, M. Wartel



P

1

P



  

 

P



1

P

 GREMI: Groupe de Recherches sur l’Energétique des Milieux Ionisés, UMR CNRS 7344, Université 



d’Orléans, France 

P

2

P

 PRISME: Laboratoire Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes et Mécanique 

Énergétique, UPRES 4229, Université d’Orléans, France 

 

Several companies are using flammable dusts in their manufacturing process and are sometimes 



faced with the risk of explosion that can cause tremendous catastrophe with human and material 

damage.  Dust  explosions  can  have  many  ignition  sources  but  static  electricity  represents  the 

largest  cause  of  ignition.  In  this  context  we  use  spark  discharge  to  ignite  dust  explosions  for 

studying  conditions  and  characteristics  of  dust  explosions  in  order  to  prevent  them.

 

The  main 



goal of this work is to provide ignition experimental data usable for combustion modelling such 

as the minimum ignition energy (MIE), the burning temperature, the ignition delay, the variation 

of electron density and the spark temperature.  

 


Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   26   27   28   29   30   31   32   33   ...   85




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling