On phenomena in ionized gases

+SiF

4

, H

2

+GeF

4

 and H

2

+BF

3 

mixtures  

 

R. Kornev

1

, P. Sennikov

1

, А. Abramov

1

, S. Sintsov

2

, А. Vodopyanov

2

  

 

1 

G.G. Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances of RAS, Nizhny Novgorof, Russia 

2

 Institute of Applied Physics of RAS, Nizhny Novgorod, Russia 

 

The  dependencies  of  concentration  of  electrons  in  chemically  active  plasma  of  H

2

+A  mixtures 

(where A - SiF

4

, GeF

4

. BF

3

)  on H2/A ratios as well as their emission spectra were investigated in 

RF  capacitive-coupled  discharge  at  a  pressure  of  1  torr.  It  was  found  that  with  the  increase  in 

concentration of fluorides in hydrogen mixture the concentration of electrons decreases; mostly it 

is observed for А=GeF

4

 according to its high electron affinity value. SiF, GeF and GeН radicals as 

well as atomic hydrogen were registered in emission spectra. The line of ВF radical is absent.  

 

1. Introduction 

Determination 

of 

internal 

parameters 

of 

chemically  active  plasma  on  the  basis  of  volatile 

fluorides and, in particular, the concentration of free 

electrons  is  an  actual  task  due  to  sufficiently  broad 

practical  application  of  these  substances  in  plasma 

chemical  technologies.  For  this  purpose  it  is 

expedient  to  use  the  non-contact  methods  of  MW 

interferometry  and  emission  spectrosopy.  At  the 

same  time  the  plasma  should  be  maintained  by  the 

discharge  of  the  same  type.  In  this  work  this 

approach  was  used  for  investigation  of  chemically 

active  plasma  of  H

2

+SiF

4

,  H

2

+GeF

4

  and  H

2

+BF

3

 

mixtures sustained by RF capacitive discharge. 

 

2. Experiment and discussion 

Investigations  were  conducted  in  RF  capacitive-

coupled discharge with frequency of 13.56 MHz at a 

pressure of 1 torr and power of 500 Wt delivered to 

discharge. Н

2

/SiF

4

 (GeF

4

, ВF

3

) ratio changed from 8 

to  36.  A  generator,  tuned  to  the  frequency  of  35.7 

GHz, was used as the source of probing radiation of 

MW interferometer. The level of power of reference 

and  probing  signals  was  equal  to  65  MWt.  The 

emission spectrum of chemically active plasma was 

investigated  in  the  range  of  350  ÷  800  nm  using 

HR4000CJ-UV-NIR emission spectrometer. 

It  was  found  that  under  the  realized  experimental 

conditions  the  concentration  of  free  electrons  of 

plasma  in  pure  hydrogen  plasma  was  equal  to  n

e

  = 

(1.5±0.04)·10

12

  cm

-3

.  While  adding  the  fluorides  to 

hydrogen  plasma  its  decrease  is  observed  which 

depends  on  the  ratio  of  mixture  components.  The 

lowest value of n

e

 takes place for H

2

+GeF

4

 mixture 

where it is equal to (9.8 ±0.04)·10

11

 cm

-3

 at the ratio 

of H

2

/GeF

4

 = 13.5. With this ratio the values of n

e

 in 

H

2

+SiF

4

  and  H

2

+BF

3

  mixtures  negligeably  differ 

from  each  other  and  are  equal  to  (1.1  ±0.04)·10

12

 

cm

-3

  and  (1.2  ±  0.04)·10

12

  cm

-3

,  respectively.  The 

emission spectra in the same range of reagent ratios 

were registered for the studied mixtures. Apart from 

the  lines  of  atomic  hydrogen,  the  lines  assigned  to 

SiF,  GeF  and  GeН  radicals  were  found  in  the 

emission spectra of H

2

+SiF

4

 and H

2

+GeF

4

 mixtures. 

At  the  same  time  the  line  of  BF  radical  was  not 

observed  in  the  spectrum  of  H

2

+BF

3

  mixture.  The 

process of dissociative attachment of electrons is the 

main channel of energy transmission from electrons 

into  chemical  system  [1].  Electron  affinity    is  the 

main  molecular  parameter  characterizing  this 

process. 

According 

to 

quantum-chemical 

calculations for GeF

4

, the adiabatic electron  affinity 

ЕА = 1.46 eV [2] and for SiF

4

 and BF

3

 the value of 

ЕА is negative [3, 4] which indicates the absence of 

"attachement" of electron to these molecules within 

the  framework  of  the  used  basis  set.  Our  results 

conclusively  indicate  high  ability  of  GeF

4

 molecule 

to  attach  the  electron.  This  ability  is  noticeably 

lower  for  the  molecules  of  two  other  fluorides. 

Should we assume that after the process of electron 

attachment  the  dissociation  of  molecules  follows 

with formation of corresponding radicals, the fact of 

absence of the line of BF radical in the spectrum of 

H

2

+BF

3

  mixture  can  indicate  that  the  "attachment" 

of electron to BF

3

 is less manifested than in the case 

with attachement to SiF

4

. 

3. References 

[1] H.Massey. Negative Ions. Cambridge University 

Press. 1976.  

[2]  Q.Li,  G.Li,  W.Xu,  Y.Xie,  H.F.Schaefer. 

J.Chem.Phys. 111 (1999) 7945. 

[3]  R.A.King,  V.S.Mastryukov,  H.F.Schaefer  III. 

J.Chem.Phys. 105 (1996) 6880. 

[4]  D.J.Grant,  D.A.Dixon,  D.Camaioni,  R.G.Potter, 

K.O.Christie. Inorg.Chem. 48 (2009) 8811. 

6 

382

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

 

 

Dielectric Properties of Magnetron Sputtered PTFE Thin Films  

 

V. Satulu, V. Ion, B. Mitu*, G. Dinescu 

 

P

1

P

 National Institute for Lasers, Plasma and Radiation Physics,  

409 Atomistilor Street, Magurele- Bucharest, 077125, Romania 

P

*

[e-mail]

P

  

 

RF  magnetron  sputtering  was  involved  for  synthesis  of  polytetrafluorethylene  thin  films.  The 

process was investigated for various RF applied powers and deposition time. The chemical bonds 

evidence the typical IR absorption bands for PTFE material, with a tendency towards cross linking 

due to polymerization of volatile fragments sputtered from the polymeric target. The results show 

the  obtainment  of  smooth  films,  without  cracks,  with  dielectric  constant  similar  to  that  of  bulk 

material  and  very  low  values  of  the  dielectric  losses  over  a  wide  frequency  range.  Such  results 

indicate that the films can be successfully used in electronic devices.  

 

 

1. Introduction 

Fluorinated  polymers  have  found  a  broad  range 

of applications as thin films, from hydrophobic and 

super-slippery  surfaces  to  protective  coatings  or 

active  layer  in  sensors.  In  the  present  contribution, 

results 

on 

magnetron 

sputtering 

of 

polytetrafluorethylene (PTFE) are presented aiming 

their use for application in electronic devices. 

 

2. Experimental details 

Deposition  of  thin  films  was  performed  by  RF 

magnetron sputtering of a PTFE polymeric target at 

power level in the range 50 – 110 W, on a working 

pressure  of  6x10

-3 

mbar,  established  under  an  Ar 

flow of 100 sccm. The magnetron sputtering source 

is mounted at 45 degrees in respect to the substrate 

holder plane and positioned at 6 cm distance from it 

[1]. Deposition uniformity is insured by rotating the 

substrate holder at a constant speed of 100 rpm. 

The deposition rate was obtained by profilometry 

measurements  for  samples  obtained  upon  10  –  30 

minutes  exposure.  The  dielectric  function  of  PTFE 

deposited on Pt/Silicon substrates was determined in 

two  frequency  regime:  in  the  low  frequency  range 

(1KHz  -  5  MHz)  by  dielectric  spectroscopy  and  in 

the  optical  range  (UV-VIS-Near  IR)  by 

spectroscopic ellipsometry. Surface topography was 

investigated by means of Atomic Force Microscopy 

(AFM)  on  areas  of  5x5 

m

2

,  while  the  chemical 

bonds  were  revealed  by  Fourier  Transformed 

Infrared Spectroscopy.  

 

3. Results and conclusions 

The  deposition  process  is  depending  on  the 

applied power onto the magnetron sputtering source, 

with the deposition rate increasing from 1 nm/min at 

50W to almost 7 nm/min at 110 W.  

The  value  of  dielectric  permittivity  was 

calculated in the plane capacitor approximation and 

was  found  to  be  ε

r

~2.8,  slightly  higher  than  the 

expected  values.  A slight  decrease  of  the  dielectric 

constant  is  encountered  on  the  entire  spectral 

measured range. The electrical losses are small and 

had values below 7.5*10

-3

. In the optical range (300-

1700 nm), the refractive index was n~1.44-1.4, with 

extinction coefficients k below 10

-4

. 

An important  characteristic for the utilization of 

thin films in electronics is a uniform and crack-free 

surface.  The  AFM  measurements  confirm  that  the 

obtained  deposited  films  are  extremely  smooth, 

regardless  the  RF  power  used  for  deposition,  with 

typical roughness RMS values below 1 nm for film 

thickness  around  200  nm.  The  investigation  of 

chemical  bonding  reveal  the  typical  IR  absorptions 

of  PTFE, with bands at 978 cm

-1

 associated to CF

3

 

and those at 1182 cm

-1

 and 1227 cm

-1

 related to CF

2

 

vibrations.  Nevertheless,  the  band  at  1715  cm

-1

 

assigned  to  C=CF

2

  or  CF=CF

2

  bonds  point  out 

toward  the  crosslinking  structure  obtained  upon 

target sputtering.  

These  results  are  encouraging  for  utilization  of 

PTFE  thin  films  in  various  devices,  as  example  as 

active layers in SAW based sensors.  

 

Acknowledgements 

This work has been financed by the Ministry of 

Research  and  Innovation  in  the  frame  of  Nucleus 

programme - contract 4N/2016.  

 

4. References 

[1] V. Satulu, M.D. Ionita, S. Vizireanu, B. Mitu, G. 

Dinescu, Molecules, 21(12), 2016, 1711. 

 

383

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

Visualization of particulates distribution from electrode erosion

Wei Zhong, Yunlong Liu, Ao Xu, Lei Chen

Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, China

Particulates generated from electrode erosion in gas spark gap is inevitable and may initiate

self-breakdown behavior with high risk. Traditionally, this problem is addressed by empirical

method qualitatively. To push this old problem forward, this paper conducts laser confocal

microscopy measurement of eroded surface and a statistical method is introduced to obtain

visualized distribution of particulates from electrode erosion after different shots. This method

allows dense particulates to be classified with their heights in z direction and scattered figures of

particulates within certain height range are obtained. Results indicate that the higher-than-10μm

particulates start to emerge after 200 discharge shots and particulates number has a waved radial

distribution with 0.5mm-wide deposition zone. Based on these quantitative results, the risk of

reignition and field-distortion failure that are triggered by particulates can be assessed.

1. Introduction

Particulates is generated from electrode erosion

inevitably, when electrode surface is bombarded by

~kA current. These splashing particulates could lead

to local field enhancement and degradation of

reliability, and even gap failure [1-2], which acts as a

key restrictive factor in pulsed power field.

Insepov and Norem [3] indicate that particulates

are produced when the plasma pressure splatters

liquid droplets away from the molten surface.

Traditionally, these eroded features are addressed by

empirical methods (SEM etc.) and their horizontal

size r could be gained [4]. However, as reported by

[5], the field enhancement factor β is function of h/r

and information of height h is rarely reported.

This paper performs a statistical analysis of

particulates’ height and obtains their quantitative

distribution from electrode erosion of gas spark gap.

2. Analysis results

Experimental details are described in [6]. Fig. 1(a)

gives confocal image of cathode surface after 1000

shots, which is densely covered with particles. Based

on statistical analysis, radial distribution of particles

number is obtained in Fig. 1(b), which would

contribute to tracing where and how the interaction

between arc and electrodes occurs.

(a)

(b)

Fig. 1 (a) electrode surface after 1000 shots; (b) radial

distribution of particulates number

Dense particulates on the electrode surface are

layered according to their height range with statistical

method in [6]. Spatial distribution of particulates are

reconstructed and shown in Fig. 2. Particulates are

concentrated at the inner edge and 0.5mm-wide

deposition zone at r=[2.35, 2.85]mm. These results

would throw new light into design of gap reliability.

0 shots

200shots

600 shots

1000shots

Fig. 2 Reconstructed distribution of particulates

3. References

[1] X. Li, X. Liu, X. Guo, F. Zeng, Q. Zhang.

IEEE Trans. Plasma Sci.

42 (2014) 3064.

[2] J.M. Koutsoubis, S.J. MacGregor. J. Phys. D:

Appl. Phys.

33 (2000) 1093.

[3] Z. Insepov, J. Norem. J. Vac. Sci. Technol. A.

31 (2013) 11302.

[4] W. Zhong, Y. Liu, A. Xu, S. Shang, D. Jin. 27

th

Int. Symp. on Dis. and Electri. Insul. in Vac.(2016)

[5] R.G. Forbes, C.J. Edgcombe, U. Valdre.

Ultramicroscopy.

95 (2003) 57.

[6] W. Zhong, Y. Liu, L. Wang, D. Jin, X. Tan. J.

Phys. D: Appl. Phys.

50 (2017) 015202.

18

384

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

Simulation on the characteristic of plasma evolution in three electrode gas

spark gaps

Ao Xu, Lin Yang, Wei Zhong, Yulong Liu, Dazhi Jin, Lei Chen

P

Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, China

P

The performance of three electrode gas spark gaps is directly effected by the characteristic of plasma

evolution while gaps are operating. However, it is difficultly to obtain all the plasma parameters

only by experiments. Therefore, it is necessary to study the characteristic of plasma evolution in

three electrode gas spark gaps with the help of simulation tools. This paper presents a sequence of

images of plasma evolution in three electrode gas spark gap obtained by high speed camera. Then,

the simulation results of this experimental geometry are present with the help of a 2D PIC-DSMC

code. According to compare results between the experiment and the simulation, it could confirm the

validity of the code. Finally, the temporal and spatial density distribution of electrons, ions and

neutral particles are cognized, and the temperatures of particles in plasma channel are obtained. It

would be helpful to further understand three electrode gas spark gaps.

1. Experiment

Experimental setup is shown in Fig.1, that the

electrodes of the three electrode gas spark gap are

placed in a vacuum system filled with nitrogen gas at

atmospheric pressure. And the camera consists of

four intensified charge-coupled device cameras using

the same optical axis by means of an internal beam

splitter. Then the cathode is grounded, while the

anode before switching is at a constant positive

voltage of 2kV. The gas spark gap is triggered by

applying a 1kV negative (with respect to the cathode)

voltage pulse to trigger electrode.

Fig.1 Experimental setup

Fig.2 Sequence images of plasma evolution

Fig.2 gives a sequence of images in three

electrode gas spark gap, starting abrupt change of

trigger pulse. As found in the experiment, the trigger

process includes two steps. First, breakdown was

initiated between the trigger electrode and the

cathode. Second, a streamer was launched from the

trigger electrode toward the anode.

2. Simulation

According to the geometry and the voltage of the

three electrode gas spark gap in above experiment, a

simulation model was established with the help of a

2D axial symmetrical PIC-DSMC code. Then, the

mechanisms describing the particles in the gap

plasma were as follows: electrons are emitted from

trigger electrode according to Fowler-Nodheim filed

emission. The electrons move to the gap undergoes

various kinds of collisions and produce ions.

Moreover, ions and electrons can cause the emission

of electrons at all the electrodes.

Fig.3 Simulation results of electrons distribution evolution

Fig.3 shows the 2D PIC-DSMC simulation results

of the plasma evolution in the three electrode gas

spark gap used in above experiment. It is found that

the results between the experiment and the

simulations are identical. Moreover, detailed change

of plasma parameters also can be obtained with the

help of PIC-DSMC simulation.

3. Conclusion

With the help of simulation tools, it is possible to

obtain the detailed characteristics of plasma evolution

in three electrode gas spark gaps. It would be helpful

to further improve the performance of these gaps.

5

385

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

 

14 

Plasma-Laser Assisted Synthesis of Nanoparticles 

for Antibacterial Coatings 

A. Jurov

1,2

, N. Krstulović

3

, M. Modic

1

, N. Hojnik

1,2

, A. 

Nikiforov

4

, A. Zille

5

, C. Leys

4

, U. Cvelbar

1,2 

 

1

P

 Jožef Stefan Institute, Jamova cesta 39, SI-1000 Ljubljana, Slovenia 

2

P

 Jožef Stefan International Postgraduate School, Jamova cesta 39, SI-1000 

Ljubljana, Slovenia 

3

Institute of Physics, Bijenička c. 46, 10000 Zagreb, Croatia 

4

 

Department of Applied Physics, Ghent University, Ghent, Belgium 

5

2C2T-Centro de Ciência e Tecnologia Têxtil, Minho University, Guimarães, Portugal 

 

The “green synthesis” of colloidal nanoparticles and their application for the 

antibacterial coatings is based on the plasma-laser assisted ablation in liquids. 

Nanoparticles are synthesized through the process of laser ablation of target in 

water,  which  enables  additional  advantages  in  comparison  with  the  other 

standard wet chemical synthesis, such as simplicity and complete utilization of 

materials. Furthermore, these nanoparticles are used and tested for antibacterial 

coatings on polymers, where they are grafted or imbedded through atmospheric 

pressure  plasma  assisted  processes.  The  advantages  of  different          coatings 

made from those nanoparticles are presented as well.

 

1.

 

Motivation 

One of the requests in medicine are materials 

with  antibacterial  properties,  and  even  though 

antibacterial coatings are not a novelty, still there 

is a demand for better effectivity and profitability. 

The goal of our method is just that, to try the new, 

simpler,  and  more  affordable  approach  in  the 

never-ending 

pursuit 

for 

efficiency 

and 

inexpensiveness. 

2.

 

Experiment 

Laser  synthesis  of  nanoparticles  in  liquids  is 

known  as  the  “green  synthesis”  technique  as  it 

provides  not  inhalable  colloidal  nanoparticles  of 

wide  variety  of  metals  with  no  residues  or 

byproducts,  and  often  no  further  purification  is 

required.  Moreover,  the  laser  pulses  can 

additionally 

generate, 

de-agglomerate, 

fragmentate,  and  re-shape  nanoparticles.  In 

addition to those advantages, the laser ablation is a 

simple  and  straightforward  technique  and  only  a 

small piece of metal is needed for the process, with 

no unused remains. 

Unlike  the  methods  where  nanoparticles  are 

incorporated not only at the surface but in the bulk 

of  polymer  material,  our  method  is  focused  on 

incorporating  nanoparticles  only  to  the  surface, 

keeping the bulk material untouched. This is a cost-

efficient  route  to  incorporate  nanoparticles  into 

polymers.  Within  this  approach,  3  methods  are 

tested:  1)  the  polymer  surface  containing 

nanoparticles deposited by drop-casting on plasma 

pre-treated  polymer,  2)  the  polymer  surface 

containing nanoparticles deposited by drop-casting 

and  sequent  plasma  treatment  after  water 

evaporated,  and  3)  a  colloidal  Au  nanoparticles 

deposited on polymer surface and plasma treatment 

with until water evaporates. 

Preliminary  research  was  done  on  various 

polymers  with  different  colloidal  nanoparticles, 

whereas a special attention was devoted to studies 

of PVC polymer and Au nanoparticles.