On phenomena in ionized gases

Figure  1.  Shock  wave  angle 



versus  deflection 

angle by plasma,  doted line with no electron density 

gradient    and  dashed  line  for 

??????

??????

=20000  K

 for both 

electric field distributions a=b= 1 and a=b=0.7 

 

Figure 

2. 

  Attached  shocks  in  the  supersonic  flow 

over  a 



15   wedge  for  different  electric  field 

distributions(red  line:    a=b=1  and  blue  line  

a=b=0.7), dot line 

10

4

V/m and dash line 

10

6

 V/m.

 

 

3. References 

 [1] L. Wang, 

Z.B. Luo, Z.X. Xia, B. Liu, X. 

Deng, Sci. China Tech. Sci. 55

 (2012) 8:2225-40. 

 

[2] S.P. Kuo, Steven S. Kuo, Physics of Plasmas, 

12 (2005) 012315.

 

[3] M. Moisan, J. Pelletier, Physics of Collisional 

Plasmas, Springer, (2012).

 

 

17 

262

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

 

 

The Characterization of Sputtered Nickel Oxide Thin Films by DC Reactive 

Sputtering for Application of an Electrochromic device 

 

Won Chang Lee

1,2

, Eun Chang Choi

1

 and Byungyou Hong

1,2

 

 

P

1

P

 College of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University, Korea 

P

2

P

 Interdisciplinary Graduate School Program for Photovoltaic Specialists (IPPs), 

Sungkyunkwan University, Korea 

 

Nickel oxide (NiO) electrochromic thin films were prepared by dc reactive magnetron sputtering. 

The  as-deposited  optical  property  and  electrochromic  behavior  strongly  depended  on  the  target 

operation mode and the substrate temperature. The films were deposited with substrate temperature 

from room temperature to 300 °C. NiO films  were  investigated  using  X-ray  diffraction,  FE-SEM 

images and Hall effect measurements. The dependences of electrochromic properties on crystalline 

structure  deposited  from  heated  substrate  temperature  during  dc  reactive  sputtering  of  NiO  films 

were studied. The preferred orientation of NiO film change from (111) to (200) when the substrate 

temperature increased.  

 

 

1. INTRODUCTION 

Electrochromic materials enable dynamic control 

of  the  throughput  of  radiant  energy  and  play  a 

significant role in energy efficient “smart windows” 

by reducing the cooling and lighting cost of buildings 

[1]. Recently, nickel oxide (NiO) is of special interest 

because  of  high  color  contrast  ratio,  cyclic 

reversibility, durability and low cost [2].  

The NiO film can be prepared by several methods 

such as sol-gel processing, chemical vapor deposition, 

thermal  evaporation  and  sputter  deposition  [3]. 

Among these methods, dc reactive sputtering is used 

to deposit NiO film in this study.  

 

2. EXPERIMENTAL DETAILS 

NiO thin films were grown on the glass using dc 

reactive magnetron sputtering system from Ni target 

(4  inch  in  diameter,  99.9%  purity)  in  a  mixture  of 

oxygen  and  argon  gases.  The  distance  between  the 

target and the substrate was approximately 5 cm. The 

chamber  was  evacuated  to  a  pressure  below  5×10

-6

 

Torr  before  deposition  and  working  pressure  was 

1×10

-2

  Torr.  The  substrate  was  varied  from  room 

temperature to 300 °C in 50 °C step during deposition 

of  the  NiO  films.  To  measure  the  electorhcormic 

properties of NiO films, in these case, NiO films were 

deposited on the indium tin oxide glass. 

 

3. RESULTS AND DISCUSSION 

The figure presents the XRD diffraction patterns 

of  the  samples  prepared  at  different  substrate 

temperature with dc power of 100 W. The diffraction 

peaks  are  observed  at  2θ  =  37.2°  and  43.3° 

corresponding to (111) and (200) crystal planes of the 

cubic NiO phase, respectively. 

 

Fig.  1  XRD  spectrum  from  the  as-deposited  NiO  films 

prepared with different substrate temperature at dc power 

100 W. 

 

The  electrical  properties  of  NiO  films  are 

measured by the Hall effect measurement. The values 

of  resistivity,  mobility,  Hall  coefficient  and  carrier 

concentration 

are 

influenced 

by 

substrate 

temperature.  

Also, the electrochromic properties of NiO films 

are  measured  such  as  cyclic  voltammograms, 

response time and transmittance modulation between 

colored state and bleached state. 

 

4. REFERENCES 

[1]  Ruben  Baetens,  Bjorn  Petter  Jelle  and  Arild 

Gustavsen.  Solar  Energy  Materials  and  Solar  Cells. 

94 (2010) 87.  

[2]  Dhanaji  S.  Dalvi,  Rupesh  S.  Devan, 

Raghunath  S.  Patil,  Yuan-Ron  Ma  and  Pramod  S. 

Patil. Materials Letters. 90 (2013) 60. 

 

[3]  Hao-Long  Chen,  Yang-Ming  Lu  and 

Weng-Sing Hwang. Surface and Coating Technology. 

198 (2005) 138. 

 

 

14 

263

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

 

 

Collisional-radiative modelling for multi-temperature plasma composition 

calculation 

 

J Annaloro

1,2

, Ph Teulet

1

, A Bultel

2

, Y Cressault

1

 and A Gleizes

1

 

 

1

 Université de Toulouse, UPS, INPT, LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie), 118 Route de 

Narbonne, F-31062 Toulouse cedex 9, France. 

2

 CORIA, UMR CNRS 6614, Université de Rouen, Site universitaire du Madrillet, BP 12, 76801 Saint-Etienne 

du Rouvray, France 

 

This  paper  concerns  the  calculation  of  multi-T  argon  plasma  composition  with  a  collisional-

radiative model. This model takes into account a great number of electronic levels of Ar and Ar

+

 

and  it  is  based  upon  an  extended  database  of  reaction  rate  coefficients  (excitation/de-excitation, 

ionisation/recombination,  spontaneous  emission  and  radiative  recombination).  A  particular 

attention is paid to problematic reactions with electrons  in one side and only heavy species on the 

other:  Ar+Ar 



  Ar+Ar

+

+e.  The  detailed  balance  relations  obtained  for  ionisation/recombination 

processes  demonstrate  the  non-uniqueness  of  the  multi-temperatures  law  of  mass  action.  Plasma 

compositions exhibit abrupt densities variations associated to the transition between the domination 

of heavy particle reactions (low temperature) and the predominance of electron collisions (high T). 

 

1. Introduction 

Most  of  theoretical  studies  concerning  thermal 

plasmas are achieved with the local thermodynamic 

equilibrium  (LTE)  assumption.  However,  it  is  clear 

that  this  assumption  is  not  realised in some regions 

of  the  plasma  (electrode  sheaths,  vicinity  of  walls 

and  cold  fringes)  and  for  transient  or  low  power 

arcs.  Thus,  electrons  have  a  kinetic  temperature  T

e

 

higher than that of the heavy species T

h

 (



 = T

e

/T

h

). 

There  are  3  methods  for  the  calculation  of  the 

plasma  composition:  The  minimization  of  a 

thermodynamic function, the law of mass action or a 

CR  model.  They  obviously  all  lead  to  the  same 

results in the case of thermodynamic equilibrium but 

they  strongly  differ  in  non-equilibrium  conditions, 

depending  on  the  initial  calculation  assumptions. 

The  more  accurate  technique  to  obtain  the  multi-T 

plasma  composition  is  the  CR  model.  Indeed,  this 

approach 

allows 

avoiding 

the 

simplifying 

assumptions  associated  to  the  internal  excitation 

modes (electronic, vibrational and rotational). 

 

2. CR Model 

The energy diagram of argon used in this study is 

taken from [1]: 379 electronic levels for Ar and the 

first  7  states  for  Ar

+

.  Thus,  all  possible  transitions 

between levels until 32.2 eV above the ground state 

of  Ar  are  taken  into  account  (coherent  with  the 

temperature  range  considered  i.e.  T

e

  and  T

h

  lower 

than 15000K). The CR model is thus formed of 387 

nonlinear  coupled  ordinary  differential  equations. 

The DVODE library [2] dedicated to stiff problems 

is  used  to  solve  the  system  of  equations.  Direct 

reaction  rate  coefficients  for  inelastic  collisions  are 

calculated with the Drawin formalism [3-4]. Reverse 

rate coefficients are obtained from accurate detailed 

balance  relations.  Concerning  radiative  processes, 

radiative  recombination  rate  coefficients  are  taken 

from [5] and Einstein coefficients from [1].  

 

 

Figure 1. Argon plasma composition: influence of 

electron and heavy particle collisions 

 

The  argon  plasma  composition  (optically  thick 

case, 



 = T

e

/T

h

 = 2) is given in figure 1. This result 

illustrates  the  influence  of  electrons  and  heavy 

particle collisions on the plasma composition.  

 

3. References 

[1] http://www.nist.gov/pml/data/asd.cfm 

[2]  P.N.  Brown,  G.D.  Byrne  and  A.C.  Hindmarsh 

SIAM J. Sci. Stat. Comput. 10 (1989) 1038 

[3] H.W. Drawin Report EUR-CEA-FC383 (1966) 

[4]  H.W.  Drawin  and  F.  Emard  Phys.  Lett.  43A 

(1973) 333 

[5] J. Annaloro and A. Bultel Physics of Plasmas 21 

(2014) 123512  

Topic number 11 

264

ICPIG, July 9-14, 2017 

 

 

Fabrication of transparent conductive films with Ag mesh patterns using a 

monolayer of polystyrene shperes 

 

Eun Chang Choi

P

1

P

, Won Chang Lee

UP

1

P

, Byungyou Hong

P11

1

P

 

 

P

1

P

 College of Information and Communication Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon, South Korea  

 

 

We show the fabrication of Ag mesh as a transparent conductive electrode using a polystyrene (PS) 

sphere template. To fabricate the Ag mesh pattern, monolayers of PS spheres with different diameters, 

such as 1, 3, and 10 μm, were investigated as a template. Since thick thickness and wide line width of 

Ag line degrade the transmittance, both heat pretreatment and wet etching are used to control  the 

open ratio of Ag mesh films. The trade-off between transmittace and conductivity forces us to use 

larger  diameter  PS  spheres.  10  micron  PS  spheres  are  chosen  as  the  template  for  the  Ps  sphere 

monolayer,  and  the  trasmittance  and  the  sheet  resistance  are  70%  and  15  Ω/sq  .  To  improve  the 

transmittance and conductivity of the films, we conducted O2 plasma treatment on the PS monolayer. 

 

1. Introduction  

All Thin transparent conducting films are crucial 

for liquid crystal displays (LCDs), flat panel displays, 

touch panels, organic light-emitting diodes (OLEDs), 

solar cells, smart windows, and other applications [1]. 

Currently,  indium  tin  oxide  (ITO),  a  transparent 

conducting oxide (TCO), is the industry standard due 

to  its  low  resistivity  (10

-3

–10

-4

Ω ∙ cm)  and  high 

transparency  in  the  visible  spectrum  (80%–90%). 

However, ITO has many disadvantages, such as rarity, 

high  cost,  possible  exhaustion,  process  temperature 

limitations, and brittleness on a flexible substrate. In 

particular,  as  display  technology  moves  toward 

flexible  displays,  ITO  will  become  completely 

unsuitable due to its brittleness.  

 In  this  study,  the  transparent  electrode  with  Ag  

mesh  patterns  is  described.  The  monolayer  of 

polystyrene  (PS)  spheres  polystyrene  spheres  was 

prepared as a template to form the mesh pattern and 

coated  with  Ag  ink.  The  heat  pretreatment  of  PS 

monolayer and Ag wet etching processes can control 

the line of Ag mesh electrodes. We obtained Ag mesh 

films  with  70  %  transmittace  and  15  Ω/sq  sheet 

resistance.  And,  we  conducted  the  O2  plasma 

treatment  on  the  PS  monolayer  to  improve  the 

adhesion between Ag and substrate.  

 

2.Experiments 

We  filled  a  water  tank  with  deionized  (DI)  water. 

When a PS solution was dropped on the DI water,  the 

PS spheres rapidly spread and self-assembled into a 

PS sphere monolayer on the DI water surface. After 

dropping  a  proper  amount  of  PS  solution,  the 

monolayer was condensed  by  pushing  it  toward  the 

wall  using  a  bar.  Finally,  the  transferred  PS  sphere 

monolayer  on  the  PET  substrate  was  dried  by 

removing the DI water. Ag ink was dropped onto the 

surface of the PS sphere monolayer film. And then, 

the sample was heated on the hot-plate at 90 ℃ for 10 

min.  And,  The  PS  was  removed  by  immersing  in 

toluene for 3 min.  The Ag was cured in an annealing 

process at 140 ℃ for 10 min on a hot plate. 

 

3. Result 

We investigated that the heat pretreatment process 

of  PS  monolayer  improve  transmittance  of  the  Ag 

mesh electrode.  

 

figure  1.  FE-SEM  images  of  (a)  the  PS  sphere 

monolayer after heat treatment for 5 min, (b) the Ag 

mesh  electrode  fabricated  using  the  preheated 

monolayer for 5 min.   

 

4. Conclusion 

We investigated that the heat pretreatment of PS 

monolayer and Ag wet etching processes can control 

electrical  and  optical  properties  of  Ag  mesh 

electrodes. 

 

5. References 

 [1] Pang S, Hernandez Y, Feng X and M¨ullen K, 

Adv. Mater. 1 (2011) 23 2779. 

 

Application14 

265

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

 

 

Study of water treatment effects by a ball-lightning like discharge 

 

Y. Takatori, H. Suzuki, K. Tokaji, Y. Inada, M. Maeyama

P

 

 

Graduate school of science and Engineering,

 

Saitama University, Sakura-ku 255, Saitama, 338-8570, JAPAN 

P

  

 

As for water treatment by a ball-lightning like discharge, we investigated the change of physical and 

chemical  properties  and  the  water  treatment  effect.  The  increase  in  the  processing  speed  of  the 

solution in the case of positive polarity was shown to be greatly influenced by ozone formation and 

dissolution by electrolysis around the upper electrode. 

 

1. Background 

The  ball-lightning  like  discharge,  a  long  living 

water  plasmoid,  first  demonstrated  by  Egolov  and 

Stepanov  [1],  has  features  of  1)  long  discharge 

duration of several 100 ms, 2) large spatial volume of 

diameter  above  10  cm  and  3)  relatively  low  supply 

voltage  of  several  kV.  Also,  it  is  reported  by 

Maeyama et al. [2] that this discharge causes strong 

light emission originated from OH radicals over the 

discharge  period  rather  than  at  the  onset  of  the 

discharge, and that intensive water jet occurs above 

the water surface. 

We  had  reported  the  preliminary  relationship 

between  the  processing  performance  and  the 

discharge  condition  for  decomposition  treatment  of 

indigo-carmine  solution  [3].  As  a  result,  the 

processing  speed  largely  varies  depending  on  the 

number of discharge and the polarity of the applied 

voltage. These facts are thought to be a result of the 

physical  and  chemical  properties  of  the  processing 

solution due to repeated discharges. 

Therefore,  in  this  study,  we  investigated  the 

change  of  these  properties  of  the  solution  and  the 

water treatment effect, experimentally. 

 

 

Fig. 1 Water treatment system with discharge 

electrodes 

 

2. Experimental setup 

Figure  1  shows  the  discharge  device  with  the 

indigo-carmine  densitometer.  As  diagnostics,  we 

used  a  high  speed  camera,  a  spectrometer  and 

measurement  systems  of  various  physical  and 

chemical properties of the solution. 

 

 

Fig.2 Changes of n

IC

 with different polarities 

 

3. Experimental results 

Figure 2 shows the change in the concentration of 

indigo-carmine  n

IC 

by  this  discharge  with  different 

polarities.  In  the  case  of  negative  polarity,  n

IC

 

decreases  exponentially  in  the  early  stage  of 

treatment,  but  after  that  the  rate  of  decrease 

deteriorates.  As  for  the  amount  of  dissolved  O

2

, 

which  generally  affects  the  processing  rate,  it 

remains unchanged 6 mg/L in both polarity cases.  

The dissolved amount of ozone O

3

 greatly varied 

depending on the polarity of discharge. In the case of 

negative polarity, it increased by about 0.1 mg / L at 

most  after  even  1000  discharges,  but  occurred  in 

large  amounts  exceeding  the  measurement  limit 

value of 5 mg / L at about 250 discharge times with 

positive  polarity.  From  these  results,  it  was  shown 

that  the  increase  in  the  processing  speed  of  the 

solution  in  the  case  of  positive  polarity was  greatly 

influenced  by  ozone  formation  and  dissolution  by 

electrolysis around the upper ring electrode. 

 

3. References 

[1] A.A.Egorov,et.al.:Tech.Phys.47(2002) 1584.  

[2] M. Maeyama, et.al.: JPS Conf. Proc. 1(2014) 

015076. 

[3]  M.  Maeyama,  et.al.:

 

21th  Int.  Conf.  on  Gas 

Discharges and their Applications (2016) 461.

 

17 

266

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

 

 

Experimental studies of mechanisms of positive column constriction in 

argon and neon 

 

Yu. Golubovskii

1

P

, A. Siasko

1

P

, 

U

D. Kalanov

1

, V. Nekuchaev

2

UP

 

 

              1

PP

Saint-Petersburg State University, 7/9 Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034 Russia 

              2

Ukhta State Technical University, Pervomaiskaia ul. 13, Ukhta 169300, Russia 

 

Paper presents latest results of experimental studies of positive column constriction in neon and 

argon. In particular, measurements of electric fields in neon and argon, densities and radial profiles 

of the excited states 2p

5

3s and 2p

5

3p in neon and 3p

5

4s and 3p

5

4p in argon (1s and 2p in Pashen's 

notation) were performed. Densities and radial profiles were obtained using classic method of 

emission and absorption spectroscopy and by line ratios method. The main role in constriction 

belongs to the nonlinear dependence of ionization rate on electron density due to a competition of 

the electron-atom and the electron-electron collisions. Basic regularities of the phenomenon and 

main distinctions of obtained results in constricted neon and argon discharges are discussed.  

 

1. Introduction 

Constriction is a phenomenon in gas discharge 

physics observed as abrupt formation of a thin bright 

cord with a growth of discharge current, which 

arises from a strong nonlinear dependence of the 

ionization rate on the electron density. The 

nonlinearity is related to a competition of electron-

atom and electron-electron collisions during 

formation of an electron distribution function. As a 

result, this nonlinear dependence causes ionization 

instability in the radial direction with simultaneous 

constriction. Generalized experimental and 

theoretical knowledge of constriction in inert gases 

has been discussed in a review [1].  

 

2. Experimental setup 

A registration system consisted of a monochromator 

Acton SpectraPro 2300i. Radial scanning was 

performed with the high-speed camera pco.1200hs, 

so an instrumental function of the experimental 

setup was determined by a pixel size of the camera. 

Measurements were performed with a reduced gas 

pressure in argon tube of 98 Torr*cm and neon - 

filled cylindrical tube with pressure 90 Torr*cm. A 

second line source necessary for absorption 

measurements were 2 Torr ICP discharges in argon 

and neon.