On phenomena in ionized gases

References 

[1]  D.  Mariotti,  R.M.  Sankaran,  J.  Phys.  D  43 

(2010) 323001. 

[2]  N.  Shirai,  S.  Uchida,  F.  Tochikubo,  Jpn.  J. 

Appl. Phys. 53 (2014) 046202.

 

10 

 

Fig.1. Model for glow discharge electrolysis. 

 

0

10

20

30

10

13

10

14

10

15

10

16

10

17

10

18

10

19

10

20

10

21

Distance from electrode (nm)

Conc

ent

ra

tion (c

m

-3

)

H

+

(x100)

OH

-

(x100)

Cl

-

Na

+

2000

1000

0

10

13

10

14

10

15

10

16

10

17

10

18

10

19

10

20

10

21

Na

+

Cl

-

OH

-

(x100)

H

+

(x1000)

e

aq

Distance from interface (nm)

Conc

ent

ra

tion (c

m

-3

)

(a)

(b)

 

Fig. 2. Spatial distribution of ion species in the liquid 

in  front  of  (a)  metal  anode  and  (b)  glow  discharge 

cathode. 

 

36

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

 

 

Atmospheric pressure plasmas  

for agriculture, medicine and surface technology 

 

J. Pawłat

P

1

, 

U

P. Terebun

P

1

P

, M. Kwiatkowski

1

P

, 

K. Hensel

2

 Z. Machala

2

, Z. Kovalova

2

, K. Kučerová

2

, B. Tarabová

2

, M. Janda

2 

A. Starek

3

, M. Budzen

3

, A. Sujak

3

 

 

1

 Institute of Electrical Engineering and Electrotechnologies, Lublin University of Technology, Poland 

2

 Faculty of Mathematics, Physics and Informatics,Comenius University, Bratislava, Slovakia 

3

 

Faculty of Production Engineering, University of Life Sciences, Lublin, Poland 

 

An  atmospheric  pressure  plasma  jet  and  glidarc  reactors  were  used  to  enhance  the  seed 

germination, disinfect non-heat resistant surfaces and to increase wettability of selected polymeric 

materials.  Selected  reactive  oxygen  and  nitrogen  species  (RONS)  were  measured  for  plasma 

generators  operating  in  different  modes:  Transient  Spark,  Mini  Glide-arc  and  Dielectric  Barrier 

Discharge  Jet  to  find  optimal  operational  conditions  for  selected  biomedical  and  agricultural 

applications.  E.  coli  was  selected  as  a model microorganism for biodecontamination comparative 

tests. 

 

 

1. Introduction and experimental set-up 

Different types of discharges could be taken into 

account  for  biomedical,  material  and  agricultural 

applications.  This  work  summarizes  selected 

experimental  results  in  above  fields,  obtained  with 

Mini  Glide-arc  (GA),  Dielectric  Barrier  Discharge 

Jet  (BDB),  radio  frequency  (RF)  plasma  jet  and 

Transient Spark (TS) [1-4].  

 

2. Results and conclusions 

Paper  is  primary  choice  for  antibiotic sensitivity 

tests  (disc  diffusion  method).  Radio  frequency 

plasma  jet  with  central  electrode  inside  the  nozzle, 

working with mixtures of oxygen, nitrogen, air with 

helium  or  argon  was  tested  to  decrease  the  surface 

contact  angle  of  cellulose  based  paper  platform 

using  Kruss  DSA25E  goniometer.  The  highest 

change:  decrease  of  surface  contact  angle  from  96

o

 

to  22

o

  after  60  s  treatment  was  observed  using 

mixture  of  helium  and  nitrogen.  Experiments 

confirmed  significant  influence  of  the  distance 

between  the  treated  sample  and  reactor  nozzle, 

especially  for  treatment  times  larger  than  15  s.  

   After 30s application of  DBD plasma jet  working 

with helium gas and admixture of air caused average 

decrease  of  the  contact  angle  for  acrylonitrile-

butadiene-styrene from 75

o

 to 42

o

, for polypropylene 

homopolymer  from  82

o

  to  45

o

,  and  for  high  impact 

polystyrene  from  90

o

  to  48

o

  o,  respectively.  

   GA reactor was used for pre-sowing stimulation of 

Lavatera thuringiaca L. seeds. Five groups of seeds 

characterized by a different exposition times (1, 2, 5, 

10 and 15 minutes) as well as untreated control were 

used.  The  highest  germination  parameters  were 

obtained  for  seeds  stimulated  with  plasma  for  the 

exposition times of 2 and 5 min. 

Control 

GA plasma treatment - 2 min 

 

 

Fig. 1. SEM photos GA plasma treated seeds of Lavatera 

thuringiaca L., zoom 500x. 

 

   Germination 

capacity 

reached 

60% 

and 

germination  energy  was  54.5%  comparing  to 

36.25%  and  30%  for  control,  respectively.  SEM 

photos  (Fig.  1)  indicated  visible  changes  of  the 

seeds’  surface,  however,  distinguishing  changes  in 

the water contact angle measurement on the surface 

of  the  seeds  were  not  observed.  Measurements  of 

RONS  were  performed  in  gas  and  liquid  phase  for 

selected  plasma  generators  operating  in  different 

modes 

 

3. References 

[1]  M.  Janda,  V.  Martišovitš,  K.  Hensel,  Z. 

Machala,  Plasma  Chem.  Plasma  Proc.,  36 

(2016) 767.  

[2] J. Pawłat, EPJAP 61(2) (2013) 1-11. 

[3]  J.  Pawłat,  M.  Kwiatkowski,  P.  Terebun,  T. 

Murakami, IEEE Trans. Plasma Sci., 99, (2015) 

1-7. 

[4]  J.  Pawłat,  M.  Kwiatkowski,  P.  Terebun,  J. 

Diatczyk. J. Phys. D 49 (2016) 374001. 

 

This  work  was  supported  by  COST  Action  TD1208,  Slovak  Research 

and  Development  Agency  APVV-0134-12,  Slovak  grant  agency  VEGA 

1/0918/15, KONNECT CATPLAS, and LUT research found. 

Topic  number 

17, 14 

37

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

 

 

Electron interactions for plasma diagnostics and modelling  

 

P. Papp

P

P

, J. Országh, Š. Matejčík 

 

P

1

P

 Department of Experimental Physics, Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University 

in Bratislava, Bratislava, Slovakia  

 

The role of low-energy and high-energy electrons in discharges and plasma is well known. In the 

Electron Plasma Processes  Laboratories (EPPL) at the Comenius University in Bratislava  we are 

studying  the  low-energy  processes  on  atoms,  molecules  and  clusters  in  gas-phase.  Electron 

ionisations,  excitations  and  corresponding  dissociative  processes  are  measured  by  the  means  of 

mass  spectrometry  and  optical  emission  spectroscopy,  as  well  as  a  theoretical  interpretation  of 

results  with  quantum  chemical  calculations  is  being  done.  Most  recently  Plasma-Enhanced 

Chemical Vapour Deposition (PECVD) and Focused Electron Beam Induced Deposition (FEBID) 

precursors were studied using crossed electron/molecular beams techniques and theory.  

 

1. Introduction 

The  EPPL  at  the  Comenius  University  in 

Bratislava  are  dealing  with  mass  spectrometric 

studies  of  electron  e  ionisation  and  dissociative 

ionisation reactions of molecules M and clusters:  

e + M → M

+

 + 2e    

 

 

(1) 

e + M → X + (M-X)

+

 + 2e    

 

(2) 

electron  attachment  and  dissociative  electron 

attachment studies to the molecules and clusters: 

e + M → [M

-

]

#

 + 2e  

 

 

(3) 

e + M → [M

-

]

#

 → X + (M-X)

-

 + 2e    

(4) 

electron  induced  fluorescence  studies  via  excitation 

of  atoms  and  molecules  and  in  dissociative 

excitation of the molecules: 

e + M(A) → M*(C) + e → M*(B) + e + hυ   (5) 

e + M(A) → M*(C) + e → X*(B) + (M-X) + e  

 

→ X*(A) + (M-X) + e + hυ  

(6) 

where  X,  (M-X)  represent  neutral  fragments  of  the 

molecule,  M*,  X*  represent  excited  states  of 

molecules or fragments in different electronic states.  

These  studies  (1-4)  cover  measurements  of  the 

ionisation  functions  of  the  molecules  (partial  cross 

sections), determination of the reaction threshold for 

the 

reactions 

and 

the 

corresponding 

bond 

dissociation  energies,  mainly  on  molecular  targets 

relevant to plasma technology, nano technology and 

radiation  chemistry  (metal-organic  compounds, 

alkenes,  halogenated  compounds,  amino  acids)  [1]. 

The  non  elastic  interactions  (5-6)  of  electrons  with 

atoms  and  molecules  produce  emission  spectra  of 

atoms,  molecules  recorded  at  different  electron 

energies  and  absolute  excitation-emission  cross 

sections,  being  analyzed  by  UV/VIS  optical 

spectrometer [2]. 

 

2. Results 

Last  few  years  a  great  effort  of  EPPL  has  been 

applied  to  understand  the  elementary  processes  of 

low-energy  electron  interactions  with  precursor 

molecules  relevant  to  nano-technology  [1-5].  We 

have  studied  several  precursors  available  for 

deposition of Fe, Co, Cu, Zn, Ni, Si or W layers. The 

most extensive studies have been performed with the 

Fe(CO)

5

  precursor;  with  electron induced ionisation 

(1,2)  and  dissociative  electron  attachment  (3,4)  to 

understand the fragmentation of ionised Fe(CO)

5

 and 

its  decomposition  to  Fe

+

  and  Fe

-

  respectively;  with 

electron 

induced 

fluorescence 

the 

excitation 

thresholds  and  Fe  and  CO  emission  bands.  Most 

recently the gas-phase experiments were upgraded to 

cluster measurements of this compound to reveal the 

behaviour  of  electron  ionisation  and  electron 

attachment of a precursor in larger environment. 

 

3. Acknowledgments 

Financing  of  this  work  was  by  the  Slovak  Grant 

Agency VEGA 1/0417/15. This work was supported 

by  the  Slovak  Research  and  Development  Agency, 

project  Nr.  APVV-15-0580.  This  project  has 

received  funding  from  the  European  Union's 

Horizon  2020  research  and  innovation  programme 

under grant agreement No 692335. 

 

4. References 

[1]  M.  Lacko,  P.  Papp,  K.  Wnorowski,  Š. 

Matejčík, Eur. Phys. J. D 69 (2015) 84. 

[2]  A.  Ribar,  M.  Danko,  J.  Országh,  J.F.F.  da 

Silva, I. Utke, Š. Matejčík, Eur. Phys. J. D 69 (2015) 

117. 

[3]  S.  Engmann,  M.  Stano,  P.  Papp,  M.  J. 

Brunger, Š. Matejčík, O. Ogólfsson, J. Chem. Phys. 

138 (2013) 044305. 

[4]  P.  Papp,  S.  Engmann,  M.  Kučera,  M.  Stano, 

Š.  Matejčík,  O.  Ogólfsson,  Int.  J.  Mass.  Spectrom. 

356 (2013) 24. 

[5]  S.  Engmann,  M.  Stano,  Š.  Matejčík,  O. 

Ogólfsson, Angew. Chem. Int. Ed. 50 (2011), 9475. 

Topic number 1 

38

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

 

 

Gas-liquid interfacial plasmas for novel gene transfer systems 

 

T. Kaneko

1

 P

, S. Sasaki

P

1

P

, K. Takashima

1

P

, T. Sato

2

P

, M. Kanzaki

3

P

 

 

1

P

 Department of Electronic Engineering, Tohoku University, Sendai, Japan 

2

P

 Institute of Fluid Science,Tohoku University, Sendai, Japan

 

3

P

 Department of Biomedical Engineering, Tohoku University, Sendai, Japan

 

 

Gas-liquid interfacial atmospheric-pressure plasmas are medically utilized for highly-efficient and 

minimally-invasive gene transfer systems, where the various kinds of plasma-induced stimulations 

could affect the transfer efficiency. In an attempt to identify the dominant factors for enhancing the 

gene transfer, we focus on reactive species  and measure the  concentration  and  distribution  of  the 

plasma-produced reactive species in liquid using two types of plasmas; “plasma jet in contact with 

liquid”  and  “micro  plasma  in  liquid  (in-liquid  plasma)”.  We  have  revealed  a  positive  correlation 

between the transfer efficiency and concentration of the short-lived reactive species such as 

•

OH

aq

. 

Furthermore, it is found that the duration of 

•

OH

aq

 production by the in-liquid plasma is longer than 

that  by  the  plasma  jet,  and  accordingly,  the  higher  transfer  efficiency  is  realized  by  the  in-liquid 

plasma compared with the plasma jet irradiation.  

 

1. Introduction 

Non-equilibrium  atmospheric-pressure  plasmas 

(APPs)  in  liquid  or  in  contact  with  liquid,  i.e., 

gas-liquid  interfacial  atmospheric-pressure  plasmas 

(GLI-APPs), have attracted much attention as a novel 

technology,  which  provides  new  physical  and 

chemical effects on the surface of the liquid and the 

exotic reactions are expected in the liquid. Using the 

GLI-APPs, several applications have been developed 

in  material  science  such  as  nanoparticle  synthesis, 

surface  treatment  of  nanomaterials,  while  in  life 

science such as medicine, agriculture, and biology. 

Recently,  GLI-APPs  are  medically  utilized  for 

highly-efficient and minimally-invasive gene transfer 

systems  [1-3],  where  the  various  kinds  of 

plasma-induced stimulations could affect the transfer 

efficiency.  In  an  attempt  to  identify  the  dominant 

factors for enhancing the gene transfer, we focus on 

reactive  species,  which  are  classified  into  three 

categories in terms  of  the  life-span:  long-lived  (e.g. 

H

2

O

2

) and short-lived (e.g. 

•

OH, O

2

•-

) reactive species, 

and investigate the functions of the plasma-produced 

reactive species in liquid on the cell activity such as 

cell-membrane permeability [4,5] using two types of 

plasmas;  “plasma  jet  in  contact  with  liquid”  and 

“micro plasma in liquid (in-liquid plasma)”.  

 

2. Experimental Results and Discussion 

First, we developed a plasma jet whose plume is 

in  contact  liquid  using  low  frequency  (frequency: 

8-10 kHz, voltage: 5-12 kV) with Helium gas  flow, 

which  was  exposed  to  the  biological  buffer  at  a 

controlled thickness. To evaluate the spatial mapping 

of  liquid  phase  OH  radicals  (

•

OH

aq

)  and 

plasma-induced  effect  on  the  gene  transfer,  the 

gelling reagent containing terephtalic acid (TA) and 

adherent  cells  with  gene-simulated  fluorescent  dye 

(YOYO-1) are prepared, respectively. It is found that 

•

OH

aq

  which  reaches  to  gelling  reagent  decreases 

with an increase in liquid thickness (<1 mm), and the 

plasma-induced YOYO-1 transfer is found to  decay 

markedly  with  liquid  thickness.  Furthermore,  the 

center-localized  distribution  of 

•

OH

aq

,  which  is 

resulting from the center-peaked 

•

OH distribution in 

the  gas  phase  region,  corresponds  with  the 

distribution  of  the  transferred  cells  by  plasma 

irradiation.  

Second,  we  generated  in-liquid  plasma  by 

applying a pulse power (voltage: 1.5 kV, pulse width: 

10-100 μs,  current:0.2-2.8 A)  to  micro-scale  thin 

electrode  in  the  biological  buffer.  Here,  indirect 

plasma  irradiation  (IPI)  method  was  employed  to 

eliminate factors except for products in  liquid  for  a 

clarification  of  cell  response  mechanism.  The 

transfer efficiency using in-liquid plasma is found to 

be  much  higher  than  that  using  plasma  jet. 

Furthermore, it is observed that the duration of 

•

OH

aq

 

production by the in-liquid plasma is longer than that 

by the plasma jet. 

These  results  suggest  that  short-lived  reactive 

species  such  as 

•

OH

aq

  is  likely  one  of  the  dominant 

factors responsible for the plasma-induced YOYO-1 

transfer, and the higher transfer efficiency is relevant 

to the longer duration of 

•

OH

aq

 production using the 

in-liquid  plasma  compared  with  the  plasma  jet 

irradiation. 

 

[1]

 

S. Sasaki, et al., Appl. Phys. Express 7 (2014) 026202. 

[2]

 

T. Kaneko et al., Biointerphases 10 (2015) 029521. 

[3]

 

S. Sasaki, et al., Sci. Rep. 6 (2016) 25728. 

[4]

 

S.  Sasaki,  et  al.,  J.  Phys.  D:  Appl.  Phys.  49  (2016) 

334002. 

[5]

 

T. Kaneko et al., J. Clin. Biochem. Nutr. 60 (2017) 3. 

17 

39

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

 

 

Pulsed Laser and Sputtering Deposition of Optical Materials 

  

 

M. Chaker

P

1

P

 

 

P

1

P

 INRS-Energie Matériaux Télécommunications, 1650 Boul. Lionel-Boulet, Varennes, Qc, Canada  

P

 

 

 

We used Pulsed Laser Deposition and Sputtering to synthesize advanced materials in the form of 

thin films with tailored properties.  In  this presentation, we will mainly focus on two materials, 

namely calcium-barium niobate (CBN) that show excellent electro-optical properties and vanadium 

dioxide (VO

2

) that presents a reversible insulator-to-metal transition. Capitalizing on our in-depth 

characterization of such films, we were able to optimize their properties and to explore their use for 

various applications, including high performance electro-optical waveguide modulators  based  on 

CBN films and smart radiator device (SRD) based on VO

2

 films for the passive thermal control of 

microsatellites. 

 

1. Introduction 

Innovation in materials science and engineering 

resides  in our ability to design new materials with 

tailored properties (electrical, optical, magnetic, 

etc.) by controlling their microstructure. One of the 

most powerful means to uniquely arrange matter at 

such scale is to use plasmas due to their unique 

ability to provide simultaneously a variety of 

particles such as ions, neutral atoms and radicals. In 

this presentation, we will focus on the  synthesis of 

two  specific  materials in the form of thin films, 

namely 

calcium-barium niobate (CBN) and 

vanadium dioxide (VO

2

)  using  Pulsed Laser 

Deposition (PLD) and sputtering.  

 

2. Results 

Calcium barium niobate (Ca

x

Ba

1-x

Nb

2

O

6

)  in the 

form of thin film is a promising material for 

integrated  electro-optical (EO)  device  applications, 

due to its unique EO properties (EO coefficient of 

130 pm/V)  and high Curie temperature (above 

250°C).  We successfully  used  PLD  to grow high 

quality CBN epitaxial thin films  on various 

substrates (MgO and NSTO). These films show both 

low surface roughness and out-of-plane lattice 

parameters comparable to that of CBN bulk 

material.  An  advanced  patterning method using a 

nickel hard mask and a chlorine inductively coupled 

plasma was also developed. Combining PLD grown 

films and patterning, waveguides  with smooth and 

nearly vertical sidewalls  were fabricated and 

characterized.  In addition,  highly (001)-oriented 

CBN  thin films were grown on MgO by Radio-

Frequency magnetron sputtering. Close-to-bulk film 

stoichiometry (Ca

0.28

Ba

0.72

Nb

2

O

6

) was  obtained for 

an O

2

 fraction of 5% in the deposition chamber. At 

the annealing temperature of 1000

o

C, (001) oriented 

thin films were  achieved with lattice parameter in 

the c-direction and a chemical composition  very 

close to that of the bulk. The refractive index of the 

films is 2.21 at 

λ  = 630 nm and a strong second 

harmonic signal can be generated nonlinearly in the 

films [1]. This overall work represents a significant 

step towards the integration and the potential use of 

CBN films for high performance electro-optical 

waveguide modulators. 

Vanadium dioxide (VO

2

) is a “smart” material 

that undergoes a reversible insulator-to-metal 

transition (IMT), characterized by a dramatic 

increase of both its conductivity and reflectivity  in 

infrared and terahertz (THz) ranges of wavelengths 

when the temperature is increased above 68°C. In a 

series of studies, our group has investigated the 

physics governing the IMT of VO

2

 thin films [2] and 

explored  new application opportunities  [3-4]. For 

example,  we  demonstrated that by  incorporating 

VO

2

  films in an appropriate multilayer structure, it 

was possible to achieve VO

2

-based smart coatings 

responding  to the temperature by adapting their 

thermal emittance to radiate more heat at high 

temperature and less at low temperature. This 

behavior is quite interesting for application as smart 

radiator device (SRD) for the passive thermal 

control of microsatellites.