On phenomena in ionized gases


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet35/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   ...   31   32   33   34   35   36   37   38   ...   85

3. Results and discussion 

 

First,  we  performed  X-ray  diffraction  analysis  of 



ITO  films  fabricated  at  various  N

/(Ar  +  N



2

).  The 


diffraction peak intensities of In

2

O



3

 (222) and (400) 

planes decreases with increasing N

/(Ar + N



2

) from 0 

to 0.65%, and finally there is no peak detected for N

/(Ar  +  N



2

)  ≥  1.5%.  Figure  1  shows  the  absolute 

density of nitrogen and oxygen atoms as a parameter 

of  N


2

/(Ar  +  N

2

).  The  density  of  nitrogen  atoms 



increases  linearly  from  1.3×10

10

  to  1.6×10



11

  cm


-3

 

with increasing N



/(Ar + N


2

) from 0 to 10%, whereas 

the  density  of  oxygen  atoms  is  in  the  range  of  

3.9×10


9

–1.5×10


10 

cm

-3



.  These  results  suggest  that 

nitrogen atoms inhibit crystallization and disorder the 

In

2

O



3

  bixbyte  crystal  structure,  and  thus  leading  to 

a-ITO  films.  Electron  Hall  mobility  of  a-ITO  films 

increases  from  14  to  55  cm

2

/Vs  with  increasing  N



/(Ar+N


2

)  from  3  to  5%,  while  the  nitrogen 

composition  ratio  of  the  films  is  almost  constant 

(10–11 atomic %). Therefore, the improvement in the 

mobility  of  a-ITO  films  for  N

/(Ar  +  N



2

)=3–5%  is 

caused not by the nitrogen incorporation, but by the 

adsorption/desorption behavior of nitrogen atoms on 

the growing surface. 

 

 

4. References 

[1] T. Takasaki, et al., Proc. 68th GEC/9th ICRP/33rd 

SPP 60, 9, GT1, 150 (2015). 

[2] S. Takashima, M. Hori, T. Goto, A. Kono, M. Ito, 

and K. Yoneda, Appl. Phys. Lett. 75, (1999) 3929. 

 

5. Acknowledgement 

This work was supported by JSPS KAKENHI Grant 

Number 15H05431.

 

0



1x10

11

2x10



11

3x10


11

0

2



4

6

8



10

an



a



to

m

 d



en

sit


(c

m



-3

)

N



2

 / Ar + N

2

 (%)


N atom

O atom derived

from targets

Amorphous

Polycrystalline

 

Fig.  1.  Absolute  density  of  nitrogen  and  oxygen 

atoms in sputtering plasma as a parameter of N

/(Ar 



+ N

2

). 



 

Topic number 

164


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

 

 



Time



space behaviour of barrier discharge ionization front 



in presence of 3D textured dielectric layer 

 

I. Topala, G. Borcia 



 

P

 



IPARC, Faculty of Physics, Alexandru Ioan Cuza University, Iasi, Romania 

 

Atmospheric-pressure  plasma  represents  particularly  suitable  technology  for  treating  textiles. 



Nonetheless,  fiber-based  materials  raise  specific  issues  related  to  their  surface  processing, 

especially for woven materials, due to their particular 3D nature. In this respect, we are exploring 

the relation between the 3D structural characteristics of woven samples, the plasma parameters 

during  sample  exposure  and  the  time

space  evolution  of  the  discharge,  aiming to establish the 



role of the heterogeneous nature of the permeable samples, working as supplementary di electric 

layer, in controlling the discharge, and thus the plasma processing efficiency. It results that such 

structures  shift  the  behavior  of  the  discharge  and  the  plasma  parameters,  depending  on  the  3D 

characteristics. 

 

1. Introduction 

Woven  materials  are  heterogeneous  structures, 

from  mechanical,  electrical  and  chemical  point  of 

view,  and  may  shift  the  behavior  of  the  discharge 

and  the  plasma  parameters  during  processing, 

depending  on  their  3D  characteristics.  Taking  this 

into account, we are exploring the relation between 

the  woven  structural  characteristics,  the  plasma 

electrical  parameters  during  sample  exposure  and 

the time


space evolution of the discharge. 

 

2. Experimental 

The  plasma  is  produced  using  DBD,  in 

asymmetrical  electrode  arrangement  [1].  The 

discharge is generated using positive voltage pulses 

with  5  kV  amplitude,  5  kHz  frequency,  100 



width.  The  DBD  parameters  are  established  by 

electrical  measurement.  Then,  a  fast  imaging 

technique using an ICCD was employed to complete 

the  information  on  the  plasma  parameters  and  the 

time



space behavior of the ionization front. 



 

3. Results and discussion 

The  voltage  and  current  waveforms  show  two 

temporally  distinct  discharges,  so-called  primary 

and secondary discharge, respectively, associated to 

the HV rising and falling slope.  

The  current  profile  for  the  primary  discharge, 

which  ignites  due  to  the  externally  applied  electric 

field,  is  different  in  presence  of  different  samples 

(Fig.  1),  whereas  the  current  profile  for  the 

secondary  discharge,  igniting  by  the  so-called 

“memory effect”, due to the charge deposited on the 

dielectric  surface  during  the  primary  discharge,  is 

similar for all samples.  

 

 



 

Fig. 1. Current waveforms in presence various fabrics 

during the HV rising slope. 

 

The  amplitude  of  the  current  pulse  and  the 



discharge  energy  vary  for  different  samples, 

resulting that the aspects related to the permeability 

of  the  structure,  due  to  its  weaving  characteristics, 

play the major role in the behavior of the discharge. 

The 

total 


light 

intensity 

shows 

different 



distribution of the discharge regions, for the primary 

and the secondary discharge. 



4. Acknowledgement 

CASPIA  project,  Executive  Agency  for  Higher 

Education  Research  Development  and  Innovation, 

Romania, PN-II-PT-PCCA-2013, grant 254/2014. 

 

5. References 

[1]  G.B.  Rusu,  I.  Topala,  C.  Borcia,  N. 

Dumitrascu,  G.  Borcia,  Plasma  Chem.  Plasma 

Process. 36 (2016) 341-354.

 

Topic number: 10 



165

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

 

 



Air versus Helium atmospheric-pressure plasma 

for enhanced adhesion of woven textiles 

 

G. B. Rusu, I. Topala, C. Borcia, G. Borcia 



 

P

 



IPARC, Faculty of Physics, Alexandru Ioan Cuza University, Iasi, Romania 

 

Atmospheric-pressure  plasma  treatment  is  used  to  improve  the  dyeing  quality  of  woven 



structures.  A  comparison  is  carried  out  between  inert  gas  and  air  atmospheric-pressure  plasma, 

attempting to separate and analyze the physical and chemical plasma effects on the woven, under 

conditions  where  oxidation,  hence  chemical  processes,  likely  superposes  on  the  physical  effect. 

This approach is useful in a context where the separation between combined cleaning 

 chemistry 



 roughness modification and their respective roles on the efficiency of the fabric dyeing procedure 

is  more  difficult.  The  results  show  that  air

plasma  treatment  probably  brings  a  supplementary 



component  to  the  treatment  outcomes,  compared  to  He

plasma,  although  both  treatments  are 



conducting to improved adhesion properties of the woven, resulting in better quality of dyed fibers. 

 

1. Introduction 

Plasma treatment has developed markedly due to 

its  potential  environmental  and  efficient  energy  use 

benefits,  in  developing  high-performance  fiber-

based materials. 

Taking  this  into  account,  we  studied  the  surface 

modification  of  synthetic  woven

 

textiles,  using 



atmospheric-pressure 

plasma, 


for 

controlled 

adhesion,  targeting  improved  dyeability,  since 

dyeing  is  compulsory  step  for  most  textiles 

finishing,  also  aiming  to  explore  the  plasma 

capability  to  modulate  the  permeability  of  fabrics 

and the relation between the process parameters and 

the 3D weaving parameters of the fabrics. 

 

2. Experimental 

The  reactor  consists  of  a  dielectric  barrier 

discharge  (DBD),  in  asymmetrical  electrode 

arrangement.  The  treated  fabrics  are  six  types  of 

commercial  polyester  woven,  presented  as  raw 

materials, with different weaving parameters. 

Processing  is  carried  out  for  30  s.  Then,  fabric 

dyeing  is  performed  under  industrial  conditions,  on 

untreated  and  plasma-treated  samples.  Moreover, 

two different dyeing temperatures are tested. 

The  materials  are  then  analyzed  by  the  usual 

wettability/wickability  measurement,  SEM  and 

XPS,  also  by  evaluation  of  color  changes  in  the 

CIELAB color space. 

The  influence  of  the  plasma  treatment  on  the 

mechanisms  at  the  interface  between  the  material 

and  a  dye  solution  is  established  by  a  diffusion 

method.  The  measurement  is  carried  out  with  the 

woven  placed  between  two  cells  and  the 

absorbance  measurement  is  performed  until 

equilibrium is reached in both cells. 

3. Results and discussion 

The  enhanced  adhesion  properties  of  the  plasma-

treated  samples  are  demonstrated  by  color analysis, 

with  increased  color  intensity  on  plasma-treated 

samples,  compared  to  untreated  ones.  Also,  the air-

plasma has demonstrably more pronounced effect on 

the color intensity, compared to the He-plasma.  

The diffusion test is demonstrating the accelerated 

flow  of  the  dye  solution  through  the  textured 

sample,  for  air-treated,  compared  to  He-treated 

samples. The fluid is flowing at higher rate and the 

saturation of the flow, due to physical obstruction of 

the  woven  pores,  is  visibly  limited  for  air-treated 

samples. This could suggest that a chemical effect is 

superposing  on  the  physical  cleaning  effect  of  the 

He-plasma,  conducting  to  better  quality  of  the 

capillary  channels.  The  plasma  effect  on  loosely 

weaved  structure  is  more  limited,  compared  to 

denser structures. 

Then, 


the 

process 


rates 

were 


evaluated, 

confirming that in case of the He-plasma treatment, 

the  effect  would  be  dominantly  the  physical  one, 

whereas  the  strong  modification  of  both  rates  for 

air-treated  samples  would  imply  that  a  chemical 

effect superposes on the physical one.  

 

4. Conclusion 

The  results  will  be  further  exploited  in 

developing  large-scale  set-up  for  air  plasma 

operation,  which  obviously  represents  lower  cost 

technological solution. 

 

5. Acknowledgement 

CASPIA  project,  Executive  Agency  for  Higher 

Education  Research  Development  and  Innovation, 

Romania, PN-II-PT-PCCA-2013, grant 254/2014. 

Topic number: 14 

166


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

Topic number 6

Electric field strength measurement by Stark polarization spectroscopy in

diffuse helium-nitrogen barrier discharges

S. Nemschokmichal, R. Tschiersch, and J. Meichsner

Institute of Physics, University of Greifswald, Felix-Hausdorff-Street 6, 17489 Greifswald, Germany

Stark polarization spectroscopy is applied to a diffuse helium-nitrogen barrier discharge to measure

the electric field strength. The splitting of the allowed and the forbidden line around 492.2 nm

(4

1

D → 2



1

P



) as well as the shift of the allowed line are investigated. Both are compared to the

electric field strength calculated from the ratio of the singlet lines at 667 nm (3

1

D → 2


1

P



) and

728 nm (3

1

S → 2


1

P



).

1. Introduction

Discharges in helium with molecular admixtures

like nitrogen or oxygen are important for applica-

tions at atmospheric pressure because of their ability

to produce radicals at low power requirements. For

a better understanding of these discharges and to op-

timize applications, numerical simulations and their

comparison with crucial discharge parameters of the

experiment are necessary. One of the most impor-

tant discharge parameter is the electric field strength,

which can be determined by Stark polarization spec-

troscopy [1], and from the intensity ratio of the two

singlet lines [2]. The combination of both methods

allows a precise absolute calibration by Stark polar-

ization spectroscopy, and a good spatial and temporal

resolution by the intensity ratio method.

2. Experimental setup

The investigated discharge is ignited between to

plane electrodes, covered by glass plates at a gap dis-

tance of 3 mm. The chamber is filled with a mixture

of helium and 500 ppm nitrogen at 1 bar. A square

wave voltage with a frequency of 5 kHz and an am-

plitude from 0.8 kV to 1.5 kV is applied. Under these

conditions, a diffuse glow-like discharge develops.

The discharge emission is observed by a system

consisting of a monochromator (0.75 m focal length,

1800 mm


−1

grating) and a photomultiplier tube. The

photomultiplier signal is amplified and recorded by an

oscilloscope, allowing an averaging of up to 50000

signals. For low intensities, as for the Stark splitting

line at 492.2 nm, a photon counting procedure is used

to improve the signal-to-noise ratio.

3. Results

A typcial example of the Stark spectroscopy mea-

surement is shown in figure 1 for three distances to

the cathodic dielectric. Two characteristics are visi-

ble: Firstly, the emission maximum appears later for

I

di

s



m

A

λ



nm

λ

nm



λ

nm

In



t

a.

u.



In

t

a.



u.

In

t



a.

u.

time µs



0

10

20



30

492


492.2

492.4


10

−4

10



−2

10

0



492

492.2


492.4

10

−4



10

−2

10



0

−0.5


0

0.5


1

492


492.2

492.4


10

−4

10



−2

10

0



z = 1.0 mm

z = 0.5 mm

z = 0.0 mm

(a)


(b)

(c)


(d)

Fig. 1: (a) Discharge current and (b-d) spectrally resolved

emission at 492.2 nm for three distances z from the cathodic

dielectric.

decreasing distance to the cathodic dielectric, which

indicates the propagation of the cathode-directed ion-

izing front. Secondly, the forbidden line becomes

more pronounced. Hence, the electric field strength

increases towards the cathode, a cathode fall region

forms. The limitations of this method are visible as

well. The separation of the forbidden line is weak for

low electric fields and a large background emission

(probably first positive system of nitrogen) exceeds

the forbidden line for later times. Therefore, the shift

of the allowed line and the line ratio method are used

to calculate the electric field for comparison.

References

[1] N Cvetanovi´c, M M Martinovi´c, B M Obradovi´c,

and M M Kuraica, J. Phys. D: Appl. Phys.

48

(2015) p. 205201.



[2] S S Ivkovi´c, G B Sretenovi´c, B M Obradovi´c,

N Cvetanovi´c, and M M Kuraica, J. Phys. D:

Appl. Phys.

47 (2014) p. 055204.

167


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

 

 

 

Calcium phosphate film formation on TiN surface  

created by atmospheric-pressure plasma 

 

R. Sannomioya



1

, R. Ichiki

1

, K. Hanada



2

, S. Akamine

1

 

, S. Kanazawa



1

  

 



1

P

Faculty of engineering, Oita University, Oita, Japan 



2

 

Faculty of medicine ,Oita University, Oita, Japan

 

 

We  research  improvement  of  biocompatibility  of  Ti  alloy  using  atmospheric-pressure  plasma 



nitriding. Four types of samples were immersed in simulated body fluid and the calcium phosphate 

formation on the surface was compared. As a result, the growth of calcium phosphate layer formed on 

the nitrided sample is the fastest among the samples.

 

These results revealed that biocompatibility of 



Ti alloy nitrided by atmospheric-pressure plasma was improved.  

 

1. Introduction 

In recent years, new surface treatment methods 

have been developed in order to improve biological 

characteristics  of  biocompatible  metals  such  as  Ti 

alloy used in the medical field. Several studies have 

reported  that  TiN  coating  and  nitriding  of  Ti  alloy 

improved  biocompatibility.  For  example,  Lin  et  al. 

proposed that TiN layer can inhibit adhesive property 

of  mutans  streptococcus  [1].  Moreover,  Zhao  et  al. 

indicated that TiN layer improves adhesive property 

of osteoblast cells which synthesize bone [2]. In this 

study,

 

we  research  improvement  of  the  hard-tissue 



compatibility of Ti alloy nitride by  pulsed-arc  (PA) 

atmospheric pressure plasma jet. [3] 

 

2. Experimental 

2.1. PA plasma jet 

The  sample  is  Ti-6Al-4V  (15×15×4  mm).  The 

experimental system uses PA plasma jet. An external 

heater  surrounds  the  quartz  pipe  to  control  the 

treatment temperature (1000℃) so that the samples is 

uniformly  heated.  The  operating  gas  is  N

2

/H

2



  gas 

mixture  at  the  flow  ratio  of  99:1.  Low-  frequency 

voltage pulses (5 kV, 1.2 A, 21 kHz) are applied to 

the  internal  electrode,  and  the  external  electrode  is 

grounded.  This  nitriding  method  is  spraying  jet 

plume onto the sample. 



2.2. Immersion test 

To  evaluate  the  formation  ability  of  calcium 

phosphate  in  vitro,  samples  were  immersed  in 

simulated body fluid (Hanks’ solution) at 37℃ for 10 

days. In order to prove that nitrided sample have good 

biocompatibility,  calcium  phosphate  formative 

ability  of  four  types  of  samples  (control,  nitrided, 

high  hydrophilicity,  high  surface  roughness)  are 

compared.  In  addition,  samples  are  masked  to 

determine  formed  layer,  and  thickness  of  film  is 

measured by laser microscope.  

 

3. Results and Discussions 

    After  atmospheric-pressure  plasma  nitriding,  the 

surface turned to the golden color, corresponding to 

TiN.  Calcium  phosphate  formed  on  surface  was 

proved by EDX analysis. Fig. 1 shows comparison of 

the  four  types  of  samples.  The  growth  of  calcium 

phosphate  layer  of  nitrided  sample  is  the  fastest 

among  the  four  samples.  In  addition,  it  is  revealed 

that  adhesion  force  of  nitrided  sample  between 

calcium  phosphate  layer  and  substrate  is  improved.

 

These  results  implied  that  atmospheric-pressure 



plasma nitriding has a high potential to improve the 

affinity of Ti alloy for osteoblast cells. 

This  work  was  supported  by  JSPS  KAKENHI 

Grant Number 15K17482. 

 

4. References 

[1] N. Lin et al., Appl. Surf. Sci. 258, (2012) 7047.  

[2]  Y.  Zhao  et  al.,  ACS  Appl.  Mater.  Interfaces  5

(2013)1510. 

[3]  Y.  Yoshimitsu  et  al.,  Jpn.  J.  Appl.  Phys.  54

(2015) 030302. 

Fig. 1 Thickness of formed calcium phosphate. 

14 


168

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

 

 



Investigation on local formation of expanded austenite phase 

by atmospheric-pressure plasma jet 

 

A. Maeda



1

, R. Ichiki

1

, R. Tomizuka



1

,

 



H. Nishiguchi

2

, T. Onomoto



3

 

S. Akamine



1

, S. Kanazawa

1

 

 



1

 Faculty of Engineering, Oita University, Oita, Japan 

2

 Research Promotion Institute, Oita University, Oita, Japan 

3

 Fukuoka Industrial Technology Center, Kitakyushu, Japan

 

 



We  succeeded  in  forming  expanded  austenite  phase  (S  phase)  of  stainless  steel  locally  by 

atmospheric-pressure

 

pulsed-arc plasma jet using N



2

/H

2



. We confirmed the  formation  of  S  phase 

from metallographic  structure  and  XRD  patterns.  We  found  that  surface  hardness  increases.  This 

indicates that reduction of passivation film on stainless steel by hydrogen is successful. 

 


Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   31   32   33   34   35   36   37   38   ...   85




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