On phenomena in ionized gases

3. Results 

The region studied spanned the 2337–2774 cm

−1

 

interval. Atmospheric CO

2

 absorption hampered 

detections at lower frequencies. The figure shows 

some absorption lines of H

35

Cl

+

 as observed and 

predicted (sticks and convolution with a Gaussian 

function 0.0055 cm

-1

 FWHM). A kinetic temperature 

∼400 K was obtained for spectra recorded with 

water cooling and 

∼270 K for those recorded with 

nitrogen cooling of the cathode. 

2537.86

2537.88

2537.90

2537.92

2537.94

0.0

0.5

1.0

1.5

a

b

sorption s

ign

al

1-2

1-1

observed

calculated

calculated

H

35

Cl

+

 

2



3/2

 P(3/2)

f

2-1

2-2

2-3

1-0

*

wavenumber (cm

-1

)

 

4. References 

[1] DeLuca, M., et al. ApJL, 2012, 751, L37. 

[2] Gupta, H., et al, ApJL, 2012, 751, L38. 

[3] Domenech, J.L. et al. ApJL, 2016, 833, L32. 

[4] Domenech, J.L. et al. ApJL, 2013, 771, L11.

 

Topic number 6 

187

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

 

 

Experimental and numerical study of arc commutation and restrikes in 

Low-Voltage Circuit Breaker (LVCB)  

 

J. Quéméneur

P

1

P

, J-J. Gonzalez

UP

1

P

, P. Freton

UP

1

P

, P. Joyeux

P

2

P

  

 

P

1

P

 Université de Toulouse; UPS, CNRS, INPT; LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie);  

118 route de Narbonne, F-31062 Toulouse cedex 9, France 

P

2

P

 Hager Electro SAS, 132 boulevard d’Europe, BP3, 67210 Obernai, France

 

 

An  experimental  setup  and  a  numerical  model  to  investigate  the  breaking  process  in  LVCB  are 

presented. The influence of current level, contact opening speed, geometry of the chamber or the 

materials  used  for  the  electrodes  are  studied  using  current,  voltage,  pressure  measurements  and 

high-speed  imaging.  The  experimental  results  are  also  used  to  develop  a  Computational  Fluid 

Model (CFD) based on the commercial  Fluent software. When validated, this model is used for a 

better  explanation  of  experimental  observations  and  can  be  used  for  predictions  on  new 

configurations  that  have  not  been  tested.  Yet,  description  of  phenomena  such  as  restrike  or 

commutation  implies  the  ignition  of  a  new  arc  root  on  the  electrode  and  therefore  necessitates 

taking into account sheath physics and departure from thermal equilibrium. The work done toward 

such a predictive model of arc behaviour in LVCB will be revealed. 

 

1. Introduction 

LVCBs,  and  in  particular  Miniature  Circuit 

Breakers  (MCB),  are  classical  apparatuses  of 

electrical  protection  commonly  found  in  houses  or 

offices.  When  an  electrical  fault  is  detected,  the 

LVCB  opens  its  contacts,  creating  an  arc.  The  arc 

then  commutates  on  rails  and  moves  toward  the 

splitters  plates  where  it  loses  its  energy  and 

extinguishes  due  to  a  current  limitation  [1].  In  the 

meantime,  an  arc  may  appear  in  the  contacts  area 

because the gap is smaller and the gas still hot. This 

phenomenon,  called  back-commutation  or  restrike, 

causes  delay  in  arc  extinction  and  reduces  the 

efficiency of the LVCB. 

Understanding and predicting arc commutation is 

both  a  scientific  and  industrial  challenge  as  a 

reliable  simulation  would  reduce  the  need  for 

prototype to be tested in a long and costly empirical 

development.  

 

2. Experimental setup 

To reproduce the current fault we use a capacitor 

bench  that  is  discharged  through  and  inductor  to 

produce a 50Hz current sine wave up to 10kA. This 

current  supply  can  be  used  to  test  either  industrial 

LVCBs  or  our  test  apparatus  presented  in  Fig.1. 

This setup is composed of a simplified arc chamber 

and  a  mechanism  to  achieve  contact  opening  at  a 

speed chosen between 2 and 8m/s with repeatability 

and synchronisation. Dedicated post-treatment tools 

have  been  developed  in  order  to  analyse  the 

experimental  data  and  conduct  statistical  analyses 

since breaking arc are rather chaotic. 

 

Fig.1: Experimental setup 

 

3. Numerical model 

A  magneto-hydrodynamic  model  has  been 

developed  to  describe  the  moving  arc  [2].  Several 

methods  can  be  used  and  improvements  have  to  be 

made  in  order  to  simulate  commutation  and  to 

calculate  the  electrode  fall  voltage  [3,  4]. 

Comparison between  the behaviour of experimental 

and simulated arcs will be presented. 

 

4. References 

[1] P. Freton & J-J. Gonzalez, The Open Plasma 

Phys. J. 2 (2009) pp. 105-119 

[2]  B.  Swierczynski  &  al.,  J.  Phys.  D:  Appl. 

Phys. 37 (2004) pp. 595-609 

[3]  M.Lindmayer  &  al.,  IEEE  Trans.  Comp. 

Pack. Technol. 29 (2006) pp. 310-317

 

[4]  M.S.  Benilov,  J.  Phys.  D:  Appl.  Phys.  41 

(2008) 144001

 

11 

188

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

 

 

Synthesis of titanium particles by RF atmospheric plasma jet: continuous 

mode vs. pulsed mode  

 

A. Lazea-Stoyanova

1,*

P

, V. Marascu

UP

1,2

P

, C. Stancu

1

P

, G. Dinescu

P

1

P

  

 

P

1

P

 National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics, 409 Atomistilor street, 077125 Magurele, 

Bucharest, Romania   

P

2

P

 Faculty of Physics, University of Bucharest, 405 Atomistilor, 077125 Magurele, Bucharest, Romania 

*Email: [e-mail] 

 

By  controlling  the  particle  synthesis  process  one  can  tailor  specific  particle's  properties,  namely 

size,  shape,  composition,  surface  area, etc.   In our study titanium particles were obtained using a 

radio-frequency  (RF)  plasma  jet  that  operates  at  atmospheric  pressure,  in  continuous  or  pulsed 

mode.  

Energy  Dispersive  X-ray  Spectroscopy  (EDS)  investigations,  optical  and  Scanning  Electron 

Microscopy (SEM) analyses reveal that titanium spherical nano or micro-particles were deposited. 

The  particle's  structure,  as  investigated  by  Transmission  Electron  Microscopy  (TEM),  presents  a 

surface  oxide  layer.  The  size,  shape  and  density  of  the  particles  is  influenced  by  the  plasma 

parameters (power, frequency or duty cycle). 

 

1. Introduction 

In  this  contribution,  we  report  the  use  of  a  RF 

atmospheric plasma jet to produce titanium particles 

by  means  of  a  gas-phase  plasma  method.    It  was 

found that adjusting the operating plasma mode it is 

possible  to  obtain  titanium  particles  with  sizes 

ranging  from  few  hundreds  of  nm  up  to  few 

microns. Moreover, tailoring the plasma parameters 

(power, 

frequency, 

duty 

cycle) 

particle’s 

characteristics (size, shape and density) are changed 

drastically.  

 

2. Experimental details and results 

2.1. Experimental set-up 

The schematic drawing of the set-up is presented 

by  Figure  1  and  was  described  in  our  previous 

papers [1].  

 

We 

highlight 

that 

titanium 

powered 

electrode,  connected  to 

a  radiofrequency  (RF) 

13.56  MHz  generator, 

is  the  starting  material 

for 

the 

titanium 

particles.  The  particles 

were  obtained  using 

argon  (1000  sccm  and 

5N purity). 

Fig.  1.  Experimental  set-up 

for 

titanium 

particles 

synthesis 

at 

atmospheric 

plasma jet

 

Other  parameters  were:  20  mm  the  distance 

between  the  electrodes,  6  mm  the distance between 

nozzle  and  Si  substrate,  1  h  exposure  time,  70-200 

W power and 1040 mbar operating pressure.  When 

working  in  pulsed  mode  frequencies  between  1-10 

kHz and duty cycles of 20 up to 80% were used. 

 

2.2. Results and conclusions 

Spherical  non-agglomerated  titanium  particles 

are obtained. Their size varies between 200 nm and 

~3 µm and have a surface oxide surface layer.  

In  continuous  plasma  mode,  the  synthesis  of 

titanium  particles  starts  at  70  W  and  their  size 

increases with increasing the RF power (Figure 2). 

 

 

Figure  2.  SEM  image  of  titanium  particles  for  70  W 

(left) and 200 W (right, obtained in continuous plasma 

mode). 

  For  pulsed  mode,  uniform  size  titanium 

particles  are  noticed  mostly  for  high  duty  cycles 

(80%) and high frequency (10 kHz).  

 

3. References 

 [1] A. Lazea-Stoyanova et. al, Plasma Processes 

and Polymers, Vol. 12, Issue 8, 705-709, 2015.  

Acknowledgements: This work was supported by a 

grant  of  the  Romanian  National  Authority  for 

Scientific  Research  and  Innovation,  CNCS  – 

UEFISCDI,  project  number  PN-II-RU-TE-2014-4-

2035  and  by  projects  PN16470101-04.  V.  Marascu 

acknowledges the support in the frame EUROfusion 

Consortium, project 1-EU12 WPEDU-RO. 

14 

189

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

 

 

Mobility of Kr

+

 ions in Kr for cold plasma modelling 

 

C. Van de Steen

1,2

, M. Benhenni

P

2

P

, R. Kalus

1,3

P

  

 

P

1

P

Center of Excellence IT4Innovations, VSB - Technical University of Ostrava, Ostrava, Czech Republic. 

P

2

P

 Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie, LAPLACE & UMR5213 du CNRS, Université de Toulouse, UPS, 

Toulouse, France.

 

3

Department of Applied Mathematics, VSB - Technical University of Ostrava, Ostrava, Czech Republic. 

 

Mobilities  of  Kr

+

  ions  in  Kr  plasma  are  calculated  for  both  states 

2

P

1/2

  and 

2

P

3/2

.  Collision  cross 

sections  are  calculated  with  quantum  and  JWKB  method  by  using  two  different  internuclear 

potential models. The collision cross sections are then used in an optimized Monte Carlo code to 

obtain  mobility  over  a  large  range  of  reduced  electric  field.  Kr

+

  mobility  values are compared to 

experimental and previously calculated ones found in the literature. This allows us to identify the 

most  reliable  potential  model  used  to  obtain  cross  section.  Kr

+

  mobility  values  and  diffusion 

coefficient of this work can be used in kinetic models of low temperature plasma to quantify and 

improve the active species production for better usage in multiple fields. 

 

1. Introduction 

The  krypton  ion  swarm  data  (reduced  mobility 

and diffusion coefficient) are needed to optimise the 

plasma  jet  models  in  applications  such  as 

biomedical or spacecraft propulsion. 

2. Potential  

In  this  work,  two  internuclear  Kr

+

/Kr  potential 

were used for cross section calculation. The first one 

(calculated by Kalus et al

.[1]

) was fitted with a cubic 

spline  curve  in  order  to  obtain  potential  values  for 

all  internuclear  distances.  The  other  potential  was 

obtained by Bonhommeau et al.

[2]

 by fitting ab initio 

potential  values  calculated  by  Ha  et  al.

[3]

.  Finally, 

spin orbit coupling was taken into account by using 

the Cohen-Schneider semiempirical model

[4]

. 

3. Method 

 

     Two  methods  were  used  to  obtain  momentum 

transfer  cross  section,  namely  quantum  method  and 

semiclassical  method  (using  Jeffreys-Wentzel-

Kramer-Brillouin  (JWKB)  approximation).  From 

these  cross  sections,  Kr

+

  mobilities  in  Kr  were 

obtained using an optimised Monte-Carlo method

[5]

. 

4. Results 

    Figure  1a  shows  that  for 

2

P

1/2

  state,  when  the 

Bonhommeau potential is used, a good agreement is 

observed  between  calculated  and  measured  Kr

+

 

mobility  in  Kr  with  a  maximum  deviation  of  3%. 

However for the 

2

P

3/2

 state (Figure 1b), the deviation 

between  calculated  and  measured  mobilities  is   

higher  than  in  the  case  of 

2

P

1/2

  state,  reaching  a 

maximum of 26%. Probably, further improvement of 

Bonhommeau  potential  will  enhance  the  agreement 

with measurements. 

   The present work improves the agreement between 

calculated  and  measured  mobilities  as  compared  to 

previous calculations reported in reference [8]. 

4

10

100

1000

3000

0.2

0.4

0.6

0.8

0.9

R

e

d

u

c

e

d

 m

o

b

ili

ty

 K

0

 (

c

m

2

V

-1

s

-1

)

Reduced electric field E/N (Td)

(a)

4

10

100

1000

3000

0.2

0.4

0.6

0.8

0.9

R

e

d

u

c

e

d

 m

o

b

ili

ty

 K

0

 (

c

m

2

V

-1

s

-1

)

Reduced electric field E/N (Td)

(b)

 Figure  1:  Standard  reduced  mobility  K

0

  in  cm

2

V

-1

s

-1

  of 

Kr

+

 ions in 

2

P

1/2

 (a) and

  2

P

3/2

 (b) state in Kr gas at 293 K 

and 760 Torr. Exp. value:   

2

P

1/2

  [6]

,   

2

P

3/

2

  [6]

 and   not 

state  resolved

[7]

.  Reported  calculation: 

  reference  [8]. 

This  work:  JWKB  method:  ,  ,  quantum  method:  , 

 

using potentials of references  

[1]

 and 

[2]

,

 

respectively

.

 

5. References 

     [1] R. Kalus et al., Chem. Phys. 294 (2003) 141. 

[2]  D.  Bonhommeau  et  al.,  J.  Chem.  Phys.  124 

(2006) 164308. 

[3] T. H. Ha et al., Mol. Phys.101 (2003) 827. 

[4]  J.S.  Cohen  et  al.,  J.  Chem.  Phys.  61  (1974) 

3230. 

[5]  M.  Yousfi,  et  al.,  J.  Appl.  Phys.  84  (1998) 

107. 

[6] H. W. Ellis et al., At. Mol. Nuc. Data Tab. 17 

(1976) 177.  

[7] H. Helm, J. of Phys. B 9 (1976) 2931. 

[8]  P.  N.  B.  Neves  et  al.,  Nuc.  Instr.  Met.  Phys. 

Res. A 619 (2010) 75. 

1 and 2  

190

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

 

 

Effect of non-thermal plasma on the germination  

and early growth of tomato seeds 

 

M. Magureanu

1

, D. Dobrin

1

, M. Gidea

2

 

 

1

 Department of Plasma Physics and Nuclear Fusion, National Institute for Lasers, Plasma and Radiation 

Physics, Magurele-Bucharest, Romania 

2

 University of Agronomic Sciences and Veterinary Medicine, Bucharest, Romania 

 

The influence of non-thermal plasma on tomato seeds has been investigated using a fluidized bed 

DBD  reactor.  The  discharge  was  generated  in  air  at  atmospheric  pressure  and  room  temperature 

using sinusoidal voltage of 50 Hz frequency and 18 kV amplitude. It was found that plasma slightly 

enhanced  germination  rate  and  significantly  influenced  growth  parameters.  The roots and sprouts 

of plasma treated seeds were longer than those of the untreated samples, for treatment durations of 

5-30  min.  The  effect  is  more  pronounced  for  the  root  length.  The  most  substantial  increase  was 

obtained for seeds treated in plasma for 5 min: the average root length was 2.88 cm, while for the 

control samples it was 1.01 cm.  

 

Non-thermal plasma started to be investigated in 

the  field  of  agricultural  science  as  an  alternative  to 

traditional pre-sowing seed treatment. Early work on 

plasma  treatment  of  seeds  was  carried  out  at  low 

pressure,  in  RF  and  microwave  discharges  [1,2]. 

More  recently,  atmospheric  pressure  plasma  started 

to be studied for this purpose [3,4]. Generally, it was 

found  that  seed  germination  was  accelerated  and 

plant  growth  was  stimulated  as  a  result  of  plasma 

exposure [1-4]. Various mechanisms are proposed to 

explain  this  effect,  from  modification  of  seed 

surface, influencing wettability and water uptake [2-

5] to deeper changes affecting seed metabolism [3]. 

In  the  present  experiments,  tomato  seeds  were 

exposed  to  plasma  generated  in  a  dielectric  barrier 

discharge (DBD) at atmospheric pressure, with high 

air  flow  (15  L/min),  so  that  the  seeds  are  held  in 

suspension within the discharge zone. The expected 

advantage  of  this  fluidized  bed  reactor  is  the  more 

uniform  treatment  of  the  seeds  due  to  their 

continuous  movement  in  the  plasma  region.  A 

coaxial  DBD  reactor  was  used,  with  sinusoidal 

voltage of 18 kV amplitude and 50 Hz frequency. 

The  distributions  of  plants  as  a function of their 

root  and  sprout  lengths  are  shown  in  Fig.  1.  The 

germination  increased  slightly as a result of plasma 

exposure:  68%  -  control  seeds,  77%  -  seeds  treated 

for  5  min.  The  roots  and  sprouts  of  plasma  treated 

seeds  (t=5-30  min)  were  longer  than  those  of  the 

control ones. The most substantial increase in length 

was obtained for seeds exposed to plasma for 5 min: 

the  mean  root  length  (MRL)  was  2.88  cm  as 

compared  to  1.01  cm  for  untreated  seeds  and  the 

mean sprout length (MSL) was 3.3 cm as compared 

to 2 cm for control seeds.  

(a)

 

(b)

 

Fig. 1. Distribution of plants as a function of: (a) – root 

length; (b) – sprout length for control seeds (t = 0 min) 

and for seeds treated in plasma for 5 and 30 minutes 

 

[1] S. Zivkovic et al., Seed Sci.Technol. 32 (2004) 693 

[2] B. Sera et al., Plasma Sci. Technol. 10 (2008) 506  

[3]  T.  Stolarik  et  al.,  Plasma  Chem.  Plasma  Process. 

35 (2015) 659 

[4] D. Dobrin et al., Innov. Food Sci. Emerg. Technol. 

29 (2015) 255 

[5] E. Bormashenko et al., Sci. Rep. 2 (2012) 741 

17 

191

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

 

 

Analysis of secondary electron emission coefficients from Paschen curves 

using Monte Carlo simulations  

 

U

T. Yoshinaga

UP

1

P

 and H. Akashi

P

1

P

 

 

P

1

P

 National Defense Academy of Japan, Yokosuka, Japan 

P

 

 

A  Monte  Carlo  simulation  and  a  simple  one-dimensional  analysis  are  applied  to  explore  the 

possibility to evaluate the secondary electron emission coefficients for ions ( ) and photons ( ) 

concurrently. On the assumption that   and   are independent of the reduced field, those values 

are evaluated to reproduce the experimental Paschen curves for Ar and Ne. The effects of the initial 

electrons’ energy and the reflection coefficient of the cathode are also studied. The values of   and 

 which reproduces  the  experimental  Paschen  curves  in good  agreement  are obtained  when  the 

initial energy of Maxwellian distribution at 3.2 eV and the lower reflection coefficients at 0 or 0.1 

are assumed.  

 

Secondary  Electron  Emission  (SEE)  coefficient 

( )  is  one  of  the  most  important  parameters  in 

discharge  phenomena  since  it  determines  the 

breakdown voltage (

). A commonly used method 

to  evaluate   is  based  on  the  Townsend  discharge 

criterion [1],  

 

⋅ exp

1

1. 

(1) 

Here,   is  the  first  Townsend  coefficient  which  is 

derived from 

, and   is the gap distance between 

the parallel plane electrodes. Since   is essentially a 

function  of  the  reduced  electric  field  (

/ ),   also 

depends on the discharge conditions. The SEE effects 

of  other  particles  than  ions  would  originate  the 

dependency as well as the backward diffusion [2].  

The purpose of the present study is to explore the 

possibility to derive   for ions ( ) and photons ( ) 

concurrently  from  the  experimentally  obtained 

Paschen curves. A Monte Carlo (MC) simulation is 

applied to calculate the number of collision events for 

ionization ( ), excitation to metastable states (

) 

and to other permitted states (

) per initial electron 

emitted  from  the  cathode.  From  a  simple  one-

dimensional 

analysis, 

which 

assumes 

no 

recombination  and  no  reabsorption  of  photons,  the 

particle  fluxes  of  ions  (

),  photons  (

)  and 

metastable species (

) are estimated as follows, 

 

⋅ exp

1 , 

 

 

2

⁄ , 

 

 

⋅ 1⁄

⁄ . 

 

 is the fraction of initial electrons which escaped 

from the backward diffusion and penetrates into the 

discharge  space.  Instead  of  Eq. (1)  the  breakdown 

condition can be expressed as, 

 

1. 

(2) 

Here, 

 corresponds  to  the  SEE  coefficient  for 

metastable  species.  Eight  types  of  collision  cross 

sections are included in the MC simulations [3]. 

The values of   and   are evaluated to reproduce 

the  experimental  Paschen  curves  of  Argon  and 

Neon [4] on the assumption that they are independent 

of 

/  and that   is equal to  . The effect of   is 

small compared with  that  of   since 

 is less than 

10 % of  . The effects of the initial electron energy 

distribution,  which  is  assumed  as  the  Maxwell 

distribution  at  0.1,  0.32,  1.0,  3.2,  and  10 eV,  are 

considered as well as the reflection coefficient (

) 

of the cathode at 0, 0.1, 0.2, 0.5, and 1.0. As a result, 

3.2 eV  produced the  least  square  errors  for  both Ar 

and  Ne,  while 

 at  0  and  0.1  produced  the  least 

square errors for Ar and Ne, respectively. Both of the 

fitted curves agree well with the experimental values 

as  shown  in  Fig. 1.  This  result  suggests  that  the 

consideration  of   in  addition  to   can  reproduce 

the 

 characteristics. The concurrent estimation of 

 and 

 which  are  independent  of  the  external 

discharge conditions such as 

/  might be possible. 

 

[1] G. Auday et al, J. Appl. Phys. 88 (2000) 4871.  

[2] A. V. Phelps et al, Plasma Sources Sci. Technol. 8 

(1999) R21.  

[3] The  Institute  of  Electrical  Engineers  of  Japan, 

http://dpc.nifs.ac.jp/DB/IEEJ

  

[4] Radio  Corporation  of  America,  Electron  Tube 

Design (1962) 792.  

Topic number: 3 

Fig. 1. Paschen curves of Ar and Ne. Ar: 

 0 at 

3.2 eV. Ne: 

 0.1 at 3.2 eV

 

192

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

 

 

Plasma based N-graphene synthesis – in-situ and post treatment 

approaches 

 

N. Bundaleska

1

, A. Dias

1

, E. Felizardo

1

, J. Henriques

1

, F.M. Dias

1

, N. Bundaleski

2

, O. M. N. 

D. Teodoro

2

 M. Abrashev

3

, J. Kissovski

3

, U Cvelbar

4 

 and E. Tatarova

1

 

 

P

1

P

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

P

2

P

 Departamento de Física, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, 2829-516  

Portugal 

 

3

Faculty of Physics, Sofia University, 1164 Sofia, Bulgaria 

4

 

Department for Surface Engineering and Optoelectronics F4, Jožef Štefan Institute, Ljubljana 1000,  

Slovenia

 

 

Free-standing  N-graphene  sheets  were  synthesized  by  graphene  post  treatment  in  a  low-pressure 

microwave  N

2

-Ar  large-scale  plasma  reactor.  The  graphene  sheets  were  placed  in  the  remote  plasma 

region,  where  they  were  treated  for  various  durations  and  gas  mixture  compositions.  Optical  emission 

spectroscopy  was  used  to  diagnose  the  plasma  source.  The  N-doped  graphene  sheets  were  analyzed  by 

applying  scanning  and  transmission  electron  microscopy,  Raman,  X-ray  photoelectron,  and  Fourier-

transform IR spectroscopy techniques. In situ synthesis of N-graphene was also achieved in a single step 

method by introducing N-containing precursor together with carbon precursor in the reactive microwave 

plasma environment at atmospheric pressure. 

 

1.  Introduction 

N-graphene 

demonstrates 

outstanding 

electrochemical  properties  and  shows  better 

performance as catalyst than commercially available 

Pt-based  electrodes  [1-3].  Numerous  methods  for 

synthesis  of  N-graphene,  such  as  chemical  vapour 

deposition,  bottom-up  synthesis,  wet  chemical 

methods,  plasma  methods  etc.,  which  can  be 

categorized  into  in  situ  and  post-treatment 

approaches,  were  developed.  In  situ  methods  allow 

simultaneous  graphene  synthesis  and  N-doping, 

whilst  in  post-treatment  previously  fabricated 

graphene  is  further  doped  with  nitrogen.  In  this 

study,  plasma-based  methods  of  N-graphene 

synthesis  both  in  situ  and  post-treatment  are 

presented. 

2. Synthesis methods 

In  the  frame  of  post-treatment  N-graphene 

fabrication, free-standing graphene sheets were first 

synthesized using microwave argon plasma working 

at  atmospheric  pressure  conditions.  The  method  is 

based  on  injecting  a  carbon-containing  precursor 

(ethanol)  into  the  active  plasma  zone,  where 

decomposition  of  ethanol  into  carbon  atoms  and 

molecules 

take 

place. 

Gas-phase 

carbon 

atoms/molecules  diffuse  into  the  colder  zones  and 

aggregate into solid carbon nuclei. The main stream 

of carbon nuclei is withdrawn into the outlet plasma 

zone,  where  the  processes  of  assembly  and  growth 

take  place.  Selective  synthesis  of  free-standing 

sheets  is  achieved  via  tailoring  of  the  microwave 

plasma environment only. Afterwards, the produced 

graphene  sheets  are  immersed  into  the  remote 

plasma  region  of  a  low  pressure  N

2

-Ar  discharge. 

Raman and XPS analysis of the produced structures 

demonstrate  that  the  doping  level  and  type  of 

functional  groups  attached  to  the  graphene  lattice 

can  be  controlled  by  changing  the  exposure  time, 

while keeping the nitrogen percentage constant. The 

nitrogen atoms were incorporated into the hexagonal 

carbon  lattice  in  pyridinic,  pyrrolic  and  quaternary 

functional groups, mainly.  

Microwave  argon  plasma  working  at  atmospheric 

pressure  was  used  to  directly  create  N-graphene  by 

passing  through  the  active  plasma  environment 

ammonia  solution  in  ethanol.  This  way  the  N-

graphene  sheets  are  synthesized  in  a  single  step  by 

actively  controlling  the  gas  temperature  and 

nitrogen/carbon atom fluxes.   

3. References 

[1]  H.  Choi,  S.  Jung,  J.  Seo,  D.W.  Chang,  L.  Dai 

and J. Baek Nano Energy 1 (2012) 534 

[2]  E.  Tatarova,  N.  Bundaleska,  J.Ph.  Sarrette  and 

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

(2014) 063002 

[3] 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 

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).  

193

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