On phenomena in ionized gases

4. Plasma processing 

Finally,  we studied ozone generation and NO 

removal with the nanosecond  discharges and found 

that the shortest rise-time pulses result in the highest 

plasma processing yields (at the cost of high by-

product formation). Figure 2 shows an example. The 

maximum obtained ozone yield was 190 g/kWh in 

air and the maximum NO removal yield was 

2.5 mol/kWh. 

 

Fig. 2 O

3

 yield for 9-ns pulses with different rise times. 

 

5. References 

[1] T. Huiskamp  et al., IEEE T. Plasma. Sci, 43 

(2015) 444-451. 

 

[2] T. Huiskamp et al., IEEE Sens. J., 16 (2016) 

3792-3801. 

 

[3] T. Huiskamp  et al.,  Plasma Sources Sci. T., 

25 (2016) 054006.

 

[4] T. Huiskamp  et al.,  Rev. Sci. Instrum.,  87 

(2016) 123509.

 

17-18 

17

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

 

 

Characterization of electronic transport properties of semiconductor films 

during plasma processing  

 

S. Nunomura

P

, I. Sakata

P

, K. Matsubara 

 

P

Research center for photovoltaics, National institute of advanced industrial science and technology(AIST), 

Tsukuba, Ibaraki 305-8568, Japan  

P

 

 

The electronic transport properties of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) film during plasma 

enhanced chemical vapor deposition (PECVD) have been studied. We find that during PECVD, 

carrier transport is governed by plasma induced defects located near the surface (< 20nm). On the 

other hand, trapped carriers are distributed not only in the defect rich surface layer but also in the 

bulk layer. The origin for carrier trapping is recognized to be the band tail states, rather than the deep 

level defect states, associated Si dangling bonds. 

 

Carrier transport is an key factor that determines the 

performances of semiconductor devices such as solar 

cells and transistors. Particularly, in those devices 

including amorphous materials of semiconductors, 

the transport is limited by carrier trapping, related to 

various defects and impurities. So far, the transport 

and trapping phenomena have been studied mainly 

for as-grown films or devices at room temperature. 

However, those have not been studied under plasma 

processing, even though the defects are usually 

created under plasma processing. Here, we study the 

electronic transport properties of a-Si:H film during 

PECVD [1]. 

We measured the photo and trap-induced currents in 

a-Si:H film growing on a glass substrate during  

PECVD [2]. These currents are measured under pump 

(532 nm, 0.4mW) and probe (1432 nm, 500mW) light. 

The pump generated photoexcited carriers and filled 

the traps, whereas the probe was used to emit trapped 

carriers to the conduction band. These carriers were 

then collected by the interdigitated contacts on the 

glass substrates. 

The measured optoelectronic properties of a-Si:H 

films during PECVD are shown in Fig. 1. It is 

confirmed that the thickness, d, is nicely proportional 

to the growth time, t, while the optical constants stay 

nearly constant. The growth rate and optical constants 

are 0.17 nm/s, E

g

 = 1.61 eV, n = 4.6, and k = 0.45 at 

532 nm. Figure 1 (c) shows the time evolution of 

photo and trap currents, I

p

 and I

t

. Interestingly, both 

currents remain nearly zero at an initial stage of 

growth (t < 120 s, i.e., d < 20 nm) and then increase 

gradually with t. The photoconductivity, 



p

, is 

improved with t, as shown in Fig. 2(d). Such time 

evolutions suggest that a defect-rich surface layer is 

formed initially, and then the bulk layer is grown 

underneath it. This defect-rich surface layer is 

evaluated to be less than 20 nm. The time evolution of 

trapped carrier density, n

t

/n

v

, determined from I

t

/I

p

 [3] 

is shown in Fig. 2(d). We find that n

t

/n

v

 stays roughly 

constant as the film grows with t. The result indicates 

that the trapped carriers are distributed 

homogeneously along the direction of growth. The 

absolute density of trapped carriers is the order of 

10

17

 cm

-3

 for the device grade intrinsic a-Si:H [2]. In 

the talk, the correlation between transport properties 

and device performances will be also presented. 

[1] S. Nunomura, I. Sakata, M. Kondo, Appl. Phys. 

Express. 6 (2013) 126201. 

[2] S. Nunomura and I. Sakata, AIP Adv.  4  (2014) 

097110. 

[3] S. Nunomura, X. Che, and S. R. Forrest, Adv. 

Mater. 26 (2014) 7555.

 

Topic number: 6 

Fig. 1. Opt-electrical properties of a-Si:H film during 

PECVD. (a) Thickness, d, and optical bandgap, E

g

. (b) 

refractive index, n, and extinction coefficient, k. (c) 

photo and trap currents, I

p

 and I

t

. (d) photoconductivity, 



p

, and  the normalized trapped carrier density, n

t

/n

v

, 

18

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

Topic number 12

Two-dimensional plasma crystals: waves and instabilities

L. Cou¨edel

1

, V. Nosenko

2

, S. Zhdanov

2

, I. Laut

2

, A. V. Ivlev

3

, E. V. Yakovlev

4

, A. Y. Kislov

4

,

S. O. Yurchenko

4

, and A. M. Lipaev

5

1

CNRS, Aix-Marseille-Universit´e, Laboratoire PIIM, UMR 7345, Marseille, France.

2

Institut f¨ur Materialphysik im Weltraum, Deutsches Zentrum f¨ur Luft- und Raumfahrt (DLR), Weßling, Germany.

3

Max Planck Institute for extraterrestrial Physics, Garching b. M¨unchen, Germany.

4

Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia.

5

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.

Wake-mediated interactions result in the coupling between wave modes in 2D complex

plasma crystals, which can trigger the mode-coupling instability and cause melting. Spec-

tra of phonons with out-of-plane polarization were studied experimentally in 2D plasma

crystals during dedicated experiments on the mode-coupling instability. The kinematics

of dust particles during the early stage of mode-coupling induced melting is explored. It

is found that the formation of the hybrid mode causes the particle vibrations to partially

synchronize at the hybrid frequency. The spatial orientation of the synchronization pattern

correlates well with the directions of the maximal increment of the shear-free hybrid mode.

Complex plasmas consist of particles immersed

in a weakly ionised plasmas. Due to the absorp-

tion of ambient electrons and ions, microparticles ac-

quire negative charges and can form coupled systems.

Microparticles injected in capacitively-coupled radio-

frequency discharges levitate in the sheath region near

the bottom electrode, where the electric field can bal-

ance gravity. Under certain conditions the particles

can form a monolayer and arrange themselves into or-

dered structures: 2D plasma crystals. In such crys-

tals, two in-plane wave modes with an acoustic dis-

persion can be sustained (longitudinal and transverse

modes). Since the strength of the vertical confinement

is finite, there is a third fundamental wave mode as-

sociated with the out-of- plane oscillations that has

a negative optical dispersion [1]. Due to the strong

electric field in the sheath region, every particle is in-

fluenced by a strong ion flow. The ions tend to fo-

cus downstream of the particles making the system

highly polarized (plasma wake). In 2D plasma crys-

tals, wake-mediated interactions result in the coupling

of the crystal in-plane and out-of-plane modes into a

shear-free hybrid mode of the lattice layer and trigger

the mode-coupling instability (MCI) [1, 2, 3] which

can melt the crystal [4]. Localised “hot spots” in the

lattice phonon spectra are a typical signature of this

mode [1, 3]. MCI induced melting can only be trig-

gered if (i) the modes intersect, and (ii) the neutral gas

damping is sufficiently low.

In this paper, spectra of phonons with out-of-

plane polarisation were studied experimentally in 2D

plasma crystals. The dispersion relation was directly

measured using a method of particle imaging that al-

lowed us to resolve the particle motion in the 3 di-

mensions. We observed experimentally the coupling

between the out-of-plane mode and the in-plane lon-

gitudinal mode which under certain conditions can

form hybridised modes and trigger the MCI[5, 6]. The

kinematics of dust particles during the early stage of

MCI revealed that the formation of the hybrid mode

induces the partial synchronisation of the particle os-

cillations at the hybrid frequency [7, 8]. Phase- and

frequency-locked hybrid particle motion in both ver-

tical and horizontal directions was evidenced. The

spatial orientation of the synchronisation pattern cor-

relates well with the directions of the maximal incre-

ment of the shear-free hybrid mode. Asymmetries ob-

served in the current fluctuation spectra come from

inhomogeneities of the horizontal confinement [8]. A

theory of MCI in shear-deformed crystals explains the

asymmetry of hot spots[9].

References

[1] S. K. Zhdanov, et al., Phys. Plasmas

16 (2009),

083706.

[2] A. V. Ivlev, G. Morfill, Phys. Rev. E

63 (2001),

016409.

[3] L. Cou¨edel, et al., Phys. Plasmas

18 (2011)

083707.

[4] J. D. Williams, et al., Phys. Rev. E

86 (2012),

046401.

[5] L. Cou¨edel, et al., Phys. Rev. Lett.

104 (2010),

195001.

[6] L. Cou¨edel, et al., EPL

115 (2016), 45002.

[7] L. Cou¨edel, et al., Phys. Rev. E

89 (2014),

053108.

[8] I. Laut, et al., EPL

110 (2015), 65001.

[9] A. V. Ivlev, et al., Phys. Rev. E

91 (2015), 063108.

19

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

 

 

 

Reactivity, relaxation and dissociation of molecules in plasma modeling 

 

Fabrizio Esposito

P

1

P

 

 

P

1

Consiglio Nazionale delle Ricerche, PlasmiLab@Nanotec, Bari, Italy  

 

Detailed information on the dynamics and kinetics of molecular collisions are of key importance in 

accurate modeling of aerothermodynamics, combustion, laser and plasma physics. A discussion of 

the relevant problems, solutions and achievements will be presented, taking into account the need 

of complete data in the plasma modeling community. 

 

 

1. Vibrational kinetics: the input data 

In  the  plasma  community  it  is  nowadays  well 

recognized  the  key  role  of  vibrational  energy 

exchanges among molecular species in plasmas [1]. 

Non-equilibrium  conditions  including  vibrational 

energy  are  commonly  studied  in  this  field,  and  this 

implies the use of state-to-state (sts) data for all the 

relevant  species  of  interest.  In  the  past,  simple 

models  of  vibrational  energy  transfer  and 

dissociation  from  excited  vibrational  states  have 

been  used  for  this  aim,  and  often  continue  to  be 

used.  However,  it  is  now  possible  to  calculate  sts 

data  accurately,  with  reasonable  amounts  of 

computational  resources  and  with  accurate 

interaction  potentials  [2,3,4].  These  data  can  also 

include  reaction,  with  production  of  new  species 

with vibrational distributions quite different from the 

purely  inelastic  data.  The  insights  and  possibilities 

offered  by  these  accurate  and  detailed  data  will  be 

shown,  with  particular  emphasis  on  the  differences 

with simple models. Different methods are available, 

with specific features that have to be wisely studied, 

exploited  and  merged  in  order  to  get  the  most 

accurate  and  complete  results  [1,5],  without 

neglecting  the  computational  efficiency,  which  is  a 

strict  requirement,  due  to  the  large  mass  of 

calculations involved. A discussion about the use of 

these methods for both vibrational energy exchange 

with  and  without  reaction  and  dissociation  will  be 

presented. 

 

2. References 

 [1] 

M.Capitelli, 

R.Celiberto, 

G.Colonna, 

F.Esposito,  C.Gorse,  K.Hassouni,  A.Laricchiuta, 

S.Longo, Fundamental Aspects of Plasma Chemical 

Physics. Springer New York (2016). Available from: 

http://link.springer.com/10.1007/978-1-4419-8185-1

 

[2]  R.Celiberto,  I.Armenise,  M.Cacciatore,  M. 

Capitelli, 

F.Esposito, 

P.Gamallo, 

R.K.Janev, 

A.Laganà,  V.Laporta,  A.Laricchiuta, A.Lombardi, 

M.Rutigliano,  R.Sayós,  J.Tennyson  and  J.M 

Wadehra, Atomic and molecular data for spacecraft 

re-entry  plasmas.  Plasma  Sources  Science  and 

Technology.  25  (2016)  033004.(doi:

 

10.1088/0963-

0252/25/3/033004) 

[3]  G.D’Ammando,  M.Capitelli,  F.Esposito, 

A.Laricchiuta, L.D.Pietanza, G.Colonna. The role of 

radiative  reabsorption  on  the  electron  energy 

distribution  functions  in  H

2

/He  plasma  expansion 

through  a  tapered  nozzle.  Physics  of  Plasmas.  21 

(2014) 093508.(doi:

 

10.1063/1.4895481) 

[4] 

M.Capitelli, 

D.Bruno, 

C.Catalfamo, 

R.Celiberto, 

G.Colonna, 

C.M.Coppola, 

G.D’Ammando, 

O.De 

Pascale, 

P.Diomede, 

F.Esposito,  C.Gorse,  A.Laricchiuta,  S.Longo,  and 

F.Taccogna,  in  Atomic  and  Plasma–Material 

Interaction  Data  for  Fusion  (International  Atomic 

Energy  Agency,  Vienna,  2014),  pp.  24–36 

(http://www-

pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/apid16_web.

pdf) 

[5]  F.Esposito,  C.M.Coppola,  D.De  Fazio. 

Complementarity  between  Quantum  and  Classical 

Mechanics in Chemical Modeling. The H + HeH

+

 → 

H

2

+ 

+  He  Reaction:  A  Rigourous  Test  for  Reaction 

Dynamics  Methods.  The  Journal  of  Physical 

Chemistry  A.  119  (2015)  12615−12626  (doi:

 

10.1021/acs.jpca.5b09660) 

 

Topic 1 

20

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

 

 

Plasma generation and processing of interstellar  

carbonaceous dust analogs  

 

V. J. Herrero

1

, I. Tanarro

1

, B. Maté

1

, R. J. Peláez

1

, G. Molpeceres

1

, V. Timón

1

,  

R. Escribano

1

, and M. Jiménez-Redondo

2 

 

P

1

P

 Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC), Serrano 121-123, 28006, Madrid, Spain  

2

Centro de Física da Universidade do Minho, Universidade do Minho, 4710-057, Braga, Portugal 

 

Different samples of plasma deposited amorphous hydrogenated carbon (HAC or a-C:H) are used 

as analogs of carbonaceous dust in the diffuse interstellar (IS) medium. Comparison of measured 

and theoretically calculated spectra suggests that IS dust grains are likely made of small aromatic 

islands linked by aliphatic chains. Irradiation of the HAC deposits with 5 keV electrons shows that 

the effects of cosmic rays on the aliphatic dust component, characterized by an absorption band at 

3.4 

m, are small and cannot explain the disappearance of this band in dense interstellar clouds. 

 

1. Introduction 

IR absorption spectra indicate that carbonaceous 

dust in the diffuse IS medium is largely made of 

some sort of amorphous hydrogenated carbon 

(HAC). Two alternative models for the structure of 

this dust can be found in the literature. One of them 

favors small aromatic islands linked by aliphatic 

chains [1], whereas the other one proposes large 

polyaromatic structures with small aliphatic 

substituents at the edges [2]. 

The most prominent spectroscopic feature of the 

aliphatic component of IS carbonaceous dust (the 

3.4 

m absorption band) disappears inside dense 

molecular clouds. In this environment, shielded from 

the UV galactic field, cosmic rays (CR) could 

provide a destruction mechanism, but again 

discrepant CR destruction efficiencies are found in 

the literature [3, 4]. 

In this work, we use IS carbonaceous dust 

analogs produced in cold hydrocarbon plasmas in 

combination with theoretical calculations and 

irradiation with high energy electrons to help clarify 

these questions.  

  

2. Experimental  

Dust grains and thin films of HAC were 

generated by plasma deposition in RF discharges. 

Mixtures of hydrocarbons and He were used as 

plasma precursors. The deposition conditions were 

selected to obtain HAC films with a variable 

proportion of aliphatic and aromatic structures. 

Optical spectroscopy, mass spectrometry and 

Langmuir probes were used for plasma diagnosis. 

HAC deposits were analyzed mainly with IR 

spectroscopy, but other techniques (SEM, AFM, ...) 

were also used.  

The effects of cosmic rays on the carriers of the 

3.4 

m feature were investigated by irradiating the 

HAC samples with 5 keV electrons. 

 

3. Theoretical calculations 

Models of HAC solids of variable density, based on 

the mentioned competing structures [1,2], were 

constructed using Montecarlo/Molecular Mechanics 

and their electronic energies and IR spectra were 

computed at Density Functional Theory (DFT) level. 

 

4. Results and conclusion 

The comparison of measured and calculated IR 

spectra [5] suggests that the structure of 

carbonaceous dust in the diffuse IS medium is 

intermediate between those of the two literature 

models [1,2] but closer to that with small aromatic 

units [1].  

The estimated effects of cosmic rays are found to 

be small and are not enough to explain the 

disappearance of the 3.4 

m band inside dense 

clouds [6]. 

At present, we intend to relate the gas-phase 

characteristics of the plasma with the properties of 

the carbonaceous solids produced in the discharges. 

We expect thus to shed light on gas phase 

polymerization mechanisms that might be of 

relevance for the interstellar medium.  

 

5. References 

[1] E. Dartois et al. A&A 432 (2005) 895 

[2] M. Steglich et al. ApJSS  208 (2013) 26  

[3] V. E. Mennella et al. ApJ. 587 (2003) 727 

[2] M. Godard et al., A&A, 529 (2011) A146 

[5] G. Molpeceres et al. PCCP 19 (2017) 1352 

[6] B. Maté et al. ApJ  831 (2016) 51 

12  

21

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

 

 

 

Modelling and interpretation of micrometric dust behaviour in tokamaks  

 

E. Lazzaro

1

, F. Ghezzi

1

, A. Uccello

1

, G. Gervasini

1

, M. De Angeli

1

 

P

1

P

 Istituto di Fisica del Plasma – CNR, Milan, Italy 

 

As  tokamak  devices  approach  more  closely  and  reliably  the  technical  conditions  required  for 

confinement  of  a  deuterium-tritium  burning  plasma,  it  becomes  clear  that  optimization  of  the 

plasma performance requires better understanding of important physics processes occurring in the 

scrape-off  layer  which  is  actually  a  “composite”  plasma,  consisting  of  multiple  ion  species  and 

heterogeneous  dust  with  variable  charge  and  mass.  A  number  of  questions  are  addressed  by 

numerical  models,  concerning  the  mobilization  of  dust  from  the  plasma  facing  components,  its 

migration and redeposition in the tokamak configuration and eventually its destiny of ablation and 

plasmoid formation. A  brief overview of selected problems  is presented here, with an assessment 

of the most interesting results and open questions, especially focused on the tungsten and beryllium 

dust particles in the tokamak JET-ILW (ITER-like wall). 

 

The  performance  of  magnetic  confinement 

nuclear  fusion  systems,  like  tokamaks,  depends 

significantly on the “purity” of the reacting mixture 

(Z

eff

  not  »  1).  Realistic  confinement  implies  some 

interaction  of  the  thermonuclear  plasma  with  the 

tokamak’s  wall  thorough  the  plasma  facing 

components  (PFCs),  mainly  leading  to  PFCs 

sputtering  and  eventually  to  the  production  of 

mobilizable solid particulate or dust [1]. 

The expected number density of these particles is 

low,  but  they  can  be  important  sources  of  plasma 

contamination  through  input  of  high  Z  elements, 

causing  strong  radiative  losses  (observed  often  as 

transient  impurity  events,  TIEs)  and  also  gross 

magnetohydrodynamic 

instabilities 

eventually 

evolving  in  disruptions.  Alternatively,  their  impact 

and interaction with the PFCs can cause the damage 

of  their  surface,  instantaneous  and  cumulative. 

Moreover, these meso-sized dust particles can retain 

the radioactive tritium (T) and, moving almost freely 

within  the  vessel,  could  significant  affect  the  T 

inventory of the tokamak. 

Validated numerical modeling tools such as dust 

trajectory  calculators  [2-4],  can  provide  qualitative 

and quantitative description of the mobilization and 

fate  of  selected  bunches  of  dust  grains.  Key  issues 

are addressed here in a first investigation of tungsten 

(W)  and  beryllium  (Be)  dust  mobilization, 

redeposition  and  plasma  pollution  in  the  tokamak 

JET-ILW (i.e. ITER-like wall). 

The  results  presented  are  produced  by  the  dust 

trajectory  code  DUSTTRACK  [2,3]  of  IFP-CNR, 

based  on  real  and  realistic  background  plasma 

configurations  of  JET-ILW.  Figure  1  shows  a 

pragmatic example of the output of the code relative 

to  the  motion  of  several  tungsten  dust  particles 

mobilized  from  the  JET-ILW’s  full-W  divertor.  On 

one  hand,  it  is  clear  that  several  dust  particles  can 

reach the hot and confined plasma (the region inside 

the 

last 

closed 

magnetic 

surface, 

LCMS) 

significantly polluting it. On the other hand, one can 

see  that  the  dust  particles  could  be  transported  and 

finally  deposited  in  places  far  away  from  their 

mobilization  spot.  In  case  of  dust  particles  with  a 

high  fraction  of  T,  this  can  be  particularly  relevant 

since their behaviour possibly affects the tokamak’s 

inventory of tritium. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.1:  Poloidal  trajectories  of  101  W  dust  particles 

launched from the divertor of JET-ILW.