17th technological plasma workshop · 12:00 – 12:20 black diamond as an antibacterial surface:...

42
17 th Technological Plasma Workshop Programme and Book of Abstracts Theatre 8, Lounge North, Ricoh Arena, Coventry, UK 9 th and 10 th October 2019

Upload: others

Post on 02-Jun-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

 

17th Technological Plasma Workshop 

Programme and Book of Abstracts 

Theatre 8, Lounge North, Ricoh Arena, Coventry, UK 

9th and 10th October 2019 

    

Page 2: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

  

Notes 

There are more notes pages at the back of this booklet 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

Page 3: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

  

Contents 

TPW Background   

Conference Dinner Arrangements   

Conference Schedule   

Abstracts for Invited presentations   

Abstracts for Contributed Presentations   

Abstracts for Poster Presentations   

 

   

Page 4: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

  

TPW Background 

The Technological Plasma Workshop (TPW) is principally a UK‐based international forum on the 

science  and  technology of  plasmas  and  gas  discharges. Delegates  from all  countries  are  very 

welcome to participate in this workshop. 

Since  the  EPSRC  Technological  Plasma  Initiative  in  1997,  technological  plasmas  have  found 

applications  in  diverse  fields  ranging  from  nano‐science  energy,  through  biomedicine  and 

environment, to space exploration. They offer major collaboration opportunities for academic 

and industrial communities and exciting career prospects for younger scientists and engineers. 

To  support  a  full  realisation  of  these  opportunities,  TPW  aims  to  foster  academic‐industry 

collaboration and to engage young plasma scientists with a scientific programme anchored by 

leading plasma scientists. The workshop will comprise  invited talks, contributed presentations 

and a poster session. 

In 2011, TPW became a conference of the Institute of Physics (IOP) Plasma Physics Group and 

since 2014 TPW has been held in conjunction with the Vacuum Expo and the Vacuum Symposium. 

The conference is currently sponsored by the IOP Plasma Physics Group. 

 

Scientific Committee 

 

Professor Adrian Cross 

University of Strathclyde 

Chairman 

 

Dr Felipe Iza 

Loughborough University 

Co‐chairman 

 

Professor Timo Gans 

University of York 

 

Dr Kirsty McKay 

University of Liverpool 

 

Dr Simone Magni 

Edwards Limited, Clevedon, UK 

 

Mr John Simmons 

RF Services, UK 

 

Organising Committee 

 

Dr Felipe Iza 

Loughborough University 

 

Dr Alex Shaw 

Loughborough University 

 

Professor Adrian Cross 

University of Strathclyde 

 

 

 

 

 

 

Page 5: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

Conference Dinner Arrangements 

The conference dinner will be held at Café Rouge. A 3‐course meal is included in your conference 

registration. If you have not registered for this and wish to attend the dinner, then please speak 

to one of  the organising committee as soon as you can. You have already chosen your menu 

choices in your registration. Red and white wine will be provided on the table, if you want more 

drinks then please purchase these yourself. 

The table is booked for 18:30. 

Please make your own way from the conference venue to the restaurant, Café Rouge – Coventry, 

Belgrade Plaza, Upper Well Street, Coventry, CV1 4BF. 

If you have any problems getting to the restaurant then you can call the organising committee 

on 07949 851738. 

A number of transport options are available: 

If you are driving then there are several car parks located close to the restaurant 

Taxi‐ the address for the restaurant is Belgrade Plaza, Upper Well Street, Coventry, CV1 

4BF 

o www.allenstaxis.com or 02476 55 55 55 

Bus‐ there is several buses that can get you to the restaurant. A google maps search is the 

most efficient way of finding the next bus, however the 20, 20B or 48 gold bus routes go 

from near the arena to near the restaurant. 

   

Page 6: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Conference Schedule 

Wednesday 9th October 2019 

10:00 – 12:00  Registration, hang posters and visit Vacuum Expo 

12:00 – 12:10  Welcome and opening remarks ‐ TPW Chairman, Adrian Cross 

Session 1 Chair: Professor Adrian Cross, University of Strathclyde, UK 

12:10 – 12:50  Characterization of Ablation Plasma in Pulsed Electron Beam Deposition 

(invited) 

Magdalena Nistor, National Institute for Lasers, Romania 

12:50 – 13:10  Cross sections estimations for molecular collisions with electrons for FEBIP and 

plasma processing 

Maria Pintea, University of Kent, UK 

13:10 – 13:30  Fault modelling in HVDC systems at different pressures 

Igor Timoshkin, University of Strathclyde, UK 

13:30 – 14:40  Coffee break and Visit Vacuum Expo 

Session 2 Chair: Dr Felipe Iza, Loughborough University, UK 

14:40 – 15:20  The Role of Diagnostics in Plasma Etch Reactors in Enabling the Information 

Age (invited) 

Alex Paterson, LAM Research, USA 

15:20 – 15:40  Plasma deposition of ‘fluffy’ carbon aggregates as analogues for dust in space 

Ionut Topala, IPARC, Romania 

15:40 – 16:00  Turbulence‐induced entrainment in plasma jets 

Mohammad Hasan, University of Liverpool, UK 

16:00 – 17:00  Poster session (poster prize presentation – 16:30) 

18:30  Conference dinner – Café Rouge, Upper Well St, Coventry, CV1 4BF 

 

 

 

 

Page 7: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Thursday 10th October 2019 

Session 3 Chair: Dr Mohammad Hasan, University of Liverpool, UK 

09:00 – 09:20  Pseudospark plasma‐sourced sheet electron beam for the generation of high‐

power millimetre waves 

Adrian Cross, University of Strathclyde, UK 

09:20 – 19:40  Gas‐plasma jet interaction with liquids: modelling and experiments 

Chinasa Ojiako, Loughborough University, UK 

09:40 – 10:00  Study of Molybdenum Plasma by HIPIMS 

Daniel Loch, Sheffield Hallam University, UK 

10:00 – 11:00  Coffee break and visit Vacuum Expo 

Session 4 Chair: Dr Simone Magni, Edwards Limited, UK 

11:00 – 11:40  Plasma Techniques for Nanostructured Materials (invited) 

Claudia Riccardi, University of Milano‐Bicocca, IT 

11:40 – 12:00  Use of Atmospheric Pressure Plasma to Improve Solid Oxide Cell Performance 

Ann Call, University of Sheffield, UK 

12:00 – 12:20  Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and 

mechanical bactericidal activity 

Paul May, University of Bristol, UK 

12:20 – 12:40  Plasma‐driven Organic Synthesis: Waste‐free Epoxidation 

Felipe Iza, Loughborough University, UK 

12:40 – 13:50  Lunch, visit Vacuum Expo and Poster session (poster prize– 13:30) 

Session 5 Chair: Professor Paul May, University of Bristol, UK 

13:50 – 14:30  Chasing convergence: Plasma application at the nanoscale? (invited) 

Geoff Hassall, Oxford Instruments, UK 

14:30 – 14:50  Increasing control of electron, ion and neutral heating in radio‐frequency 

hollow cathode microthrusters 

James Dedrick, University of York, UK 

14:50 – 15:00  Closing remarks – TPW Chairman, Adrian Cross 

15:00  Depart 

Page 8: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Posters 

P1  A helicon plasma apparatus for fundamental wave‐plasma experiments 

Kevin Ronald, University of Strathclyde, UK 

P2  Metrology for in‐situ industrial plasma processing 

Michael Mo, University of York, UK 

P3  Atmospheric pressure microplasma as synthesis method for nitrogen doped 

carbon quantum dots applied to third‐generation solar cells 

Slavia Deeksha Dsouza, Ulster University, UK 

P4  Time resolved electron properties measured by laser Thomson scattering in a 

HiPIMS plasma 

Marcus Law, University of Liverpool, UK 

P5  Plasma‐driven epoxidation using a He+O2 atmospheric pressure COST plasma 

jet 

Han Xu, Loughborough University, UK 

P6  An integrated microfluidic chip for generation and transfer of reactive species 

using gas plasma 

Oladayo Ogunyinka, Loughborough University, UK 

P7  Plasma cathode electron beam for high‐integrity materials processing 

Andrew Sandeman, TWI, UK 

P8  Enhanced Fuzzy Tungsten Growth in the Presence of Tungsten Deposition 

Patrick McCarthy, University of Liverpool, UK 

P9  Investigation of a Capacitively Coupled RF Allylamine Discharge 

Michael Barnes, University of Liverpool, UK 

P10  Power controlled Atmospheric‐pressure Plasma Treatment System 

Junchen Ren, Loughborough University, UK 

P11  Electro carboxylation of Alkene with Carbon Dioxide in the presence of Plasma 

Muhammad Shaban, Loughborough University, UK 

P12  Microwave emission due to kinetic instabilities in an over‐dense mirror‐

confined plasma 

Kevin Ronald, University of Strathclyde, UK 

 

Page 9: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Technological Plasma Workshop 2019 

Abstracts for Invited Presentations    

Page 10: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Characterization of Ablation Plasma in Pulsed Electron Beam Deposition 

M. Nistor, F. Gherendi and N.B. Mandache 

National Institute for Lasers, Plasma and Radiation Physics (NILPRP), 

Plasma Physics and Nuclear Fusion Laboratory, 

P.O.Box MG‐32, 077125, Bucharest‐Magurele, Romania 

[email protected] 

The field of oxide thin films has a rapid growth driven by the demand for a wide range of 

applications in photovoltaics, optoelectronics, energy, nanotechnology. In particular, thin 

films made from transparent conducting oxides are used for solar cells, touch screens 

sensors, light emitting diodes, flat panel displays and smart windows due to their high 

electrical conductivity and high transparency in the visible spectral range. Satisfying these 

competing demands is challenging but technological plasmas are ideally placed in this field 

due to the processes involved that can be carefully tailored to the specific application. 

The pulsed electron beam deposition (PED) is a low‐cost plasma technology for the 

deposition of stoichiometric, smooth, amorphous or crystalline oxide thin films with tunable 

physical properties [1‐3]. PED has features in common with the pulsed laser deposition but 

uses a pulsed electron beam instead of a laser beam for ablating a target material and 

formation of a plasma plume that mediates the growth of thin films on substrates at around 

10‐2 mbar gas pressure. The knowledge about the propagation of the ablation plasma plume 

is crucial due to the influence of the kinetic energy and density of the species emitted from 

the target over the quality of the films (composition, structure, surface morphology and 

physical properties). 

Langmuir probes have been widely used for investigation of the nanosecond laser ablation 

plume in different gases [4]. In this work we report on the plasma plume characterization by 

Langmuir probes during ablation of an oxide target in PED. The probe was placed in the 

substrate position at various distances to the target and the measurements were performed 

in the same working conditions as those used for the thin film deposition. From the current‐

voltage probe characteristics the electron temperature and the electron density were 

determined as function of the gas pressure and pulsed electron beam parameters. The 

probe signals were recorded with temporal resolution at different bias voltages and used for 

determining the ion energy by the time of flight method. These results are discussed in the 

frame of existing models for ablation plasmas. A correlation between the morphological, 

structural and functional physical properties of oxide thin films and kinetic energies of the 

plasma species is also presented. Some examples include undoped and doped zinc oxide 

and indium oxide thin films with tunable physical properties. 

[1] M. Nistor, N.B. Mandache, J. Perrière, J. Phys. D: Appl. Phys. 41, 165205 (2008) [2] M. Nistor, L. Mihut, E. Millon, C. Cachoncinlle, C. Hebert, J. J.Perrière, RSC Adv. 6, 41465‐41472 (2016)  [3] M. Nistor, F. Gherendi, J. Perrière, Mater. Sci. Semicond. Process. 88, 45 (2018) [4] B. Doggett, J.G. Lunney, J. Appl. Phys. 105, 033306 (2009)    

Page 11: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

The Role of Diagnostics in Plasma Etch Reactors in Enabling the Information 

Age 

Alex Paterson1, Saravanapriyan Sriraman1, John Holland1, Harmeet Singh1, Vahid Vahedi1 

1Lam Research Corp 

[email protected] 

Over the last decade, semiconductor industry growth has been driven chiefly by the demand 

for consumer electronics and the advent of the data economy:  the move to mobile smart 

devices such as phones and tablet PC’s and the proliferation of Artificial Intelligence. It is 

now common place for hand‐held mobile devices to have 512 Gb of memory and processor 

speeds of over 2 GHz, a truly remarkable feat that would have been unthinkable 10 years 

ago. This capability has been enabled by the continuation of IC scaling to smaller and 

smaller features sizes with the present technology being mass produced by 14 nm node 

technology and smaller nodes down to 3 nm currently being developed by IC 

manufacturers. For example, the latest Apple® iPhone® 11 uses an A13 Bionic CPU with 8.5 

billion transistors fabricated with 7nm technology. The limitations of lithography to keep up 

with the decrease in dimensions required for these smaller nodes has resulted in new 

challenges for plasma etch to enable patterning at these small feature sizes. Device 

performance requirements also drive critical dimension (CD) non‐uniformity to less than 

one nanometre across the entire 300 mm wafer for sub‐20 nm features and yield 

requirements extend this pattering region to within 1.5 mm of the wafer edge. Wafer 

fabrication production also relies on plasma etch solutions to be stable at these levels across 

long periods of time and capable of flexibility in multiple applications. The realization of all 

of these goals has been greatly facilitated by a much better understanding of the basic 

chemical, physical, and electromagnetic processes that occur during the plasma etch of 

semiconductor devices. 

In this paper we will discuss the crucial role diagnostics play in achieving this understanding 

and in the development of state‐of‐the‐art plasma etch chamber technology that allow the 

continuation of Moore’s Law. Diagnostics are essential not only to understand etch 

mechanisms and chamber characteristics but to also accelerate hardware development in 

order to meet customer time critical needs. We will review the different types of diagnostics 

commonly used in plasma etch chamber development with reference to findings from 

literature and augment this with diagnostic work undertaken at Lam Research. Finally, we 

will discuss the suitability of diagnostics in main stream production and give some thoughts 

on future diagnostics that may be required for production enhancement and angstrom level 

etching. 

   

Page 12: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Plasma Techniques for Nanostructured Materials 

Claudia Riccardi Dept of Physics University of Milano‐Bicocca 

Nanostructured materials are revolutionizing many fields of science and technology and are finding 

their way in many commercial products. Their interest is due to the fact that nanostructured films 

present functional (tribological, biological, electrical, optical) properties which are new, or of 

superior quality, compared to nonnanostructured ones. 

Indeed, plasma sources are essential for the synthesis of new molecules yielding very high purity 

materials, allowing in addition the control of formation and transport of the synthesized building 

blocks for the nanofabrication of thin layers and multilayer composited films, as well as the synthesis 

of nanoparticles (NPs). A large variety of nanostructured materials and their applications have been 

already demonstrated in different fields. So far, plasma‐based methods have been employed for the 

precursor dissociation, the most relevant of which is the expanding thermal jet (1995) enabling 

purity control of the growth process, and more recently, the Pulsed Laser Deposition (PLD) 

technique working at ultra‐high vacuum has been developed to control both purity and 

nanostructured morphology. A novel technique was designed to assemble high purity materials at 

the nanoscale over a larger area and higher flexibility, allowing to work with many kind of chemicals, 

and less severe operational conditions due to the possibility of working at higher pressures. The 

method is based on a non‐thermal supersonic plasma jet where independent control over plasma 

chemistry, dissociation and molecule aggregation, nanoparticle assembly and film growth, are 

achieved by fluidodynamic segregation of the two processes in a unique remote plasma 

configuraton. The method for producing nanostructured films and NPs with controlled morphology, 

particularly of a hierarchically organized type, is suitable to a scale‐up for industrial processing. The 

technique denominated 

Plasma Assisted Supersonic Jet Deposition (PA‐SJD) is the segmentation of the gas phase material 

synthesis in two separate steps: Chemistry control in a reactive cold plasma environment of several 

precursors; and secondly, nucleation and assembling of the building blocks by means of a supersonic 

inseminated plasma jet where particle collisions can be controlled. The former is performed in a 

vacuum chamber where a gas or vaporizable precursor is employed as the source of nanosize seeds 

by a non‐thermal plasma. In a second, lower pressure chamber, the plasma expands into a 

supersonic jet containing seeds of NPs. By acting on the jet parameters, the active control of the 

synthesis of NPs is able to produce cluster sizes varying from few nm to 100 nm, as well as their 

assembling in an organized nanostructure on a given substrate with the desired film porosity. The 

deposition rate of thin films ranges from 10 nm/min up to about 500 nm/min. By operating with two 

plasma jet sources simultaneously it was also possible to produce NPs shells of different oxides and 

to deposit multicomponent thin films. These nanomaterials (NPs and films) have a broad range of 

applications in diverse fields such as photovoltaics, photoelectrochemistry, energy storage, 

photonics and biomedicine. 

E.Dell’Orto, S.Caldirola, A.Sassella, V.Morandi, C. Riccardi (2017), “Growth and properties of nanostructured titanium dioxide deposited by supersonic plasma jet deposition” Applied Surface Science 425 (2017) ‐407‐415    

Page 13: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Chasing Convergence: Plasma application at the nano‐scale? 

Hassall G 

Oxford Instruments Plasma Technology, North End, Yatton, Bristol 

[email protected]   

This year, Oxford Instruments (OI) celebrates its 60th birthday. In the years since it was 

founded, we have seen an extraordinary development of technology that to many is still in 

the realms of science fiction. Oxford Instruments Plasma Technology (OIPT) has been part of 

the OI story for over 30 years and provides compound semiconductor processing tools and 

expertise to a broad range of sectors. In support of the demands of our customers, 

companies like ours must adapt our technology and understanding of the interaction of 

plasma and surfaces to enable the creation of devices that continue to push performance 

limits.  

The inspiration for this talk came from the diagram shown below, first published over a 

decade ago. It illustrates the idea that we have been approaching a convergence of 

previously disparate scientific disciplines to bring about a very real industrial revolution that 

will impact everyone in one way or another. The suggestion is that the nature of the 

semiconductor manufacturing world we inhabit today is changing and indicates the source 

of many of the future issues we must consider to adequately address the needs of our 

Customers in the decades to come. There are clear examples that tell us the convergence is 

happening now. From the plasma perspective, we have seen a growth in the importance of 

“surface‐driven” process technology in contrast to conventional “flux‐driven” systems. This 

change has become a significant enabler in supporting this convergence. 

 

Figure 1. Convergence is happening now. This graphic is from a paper by Uwe [1].  

In this talk, conventional surface processing is reviewed (briefly) to provide the context for 

how processing has evolved at the nanoscale. We will look at how these techniques must be 

adapted to meet the requirements of modern production‐driven process technology.  

[1] Uwe B. Sleytr (2006). NANOBIOTECHNOLOGY, An Interdisciplinary Challenge. Center for NanoBiotechnology, Vienna.  

Page 14: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

 

 

Technological Plasma Workshop 2019 

Abstracts for Contributed Presentations 

Page 15: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Cross sections estimations for molecular collisions with electrons for FEBIP 

and plasma processing 

1Maria Pintea, 1,2Nigel Mason and 3Maria Tudorovskaya 1School of Physical Sciences, University of Kent, Canterbury, CT2 7NH, UK, 2School of Physical 

Sciences, The Open University, Milton Keynes, MK7 6AA, UK, 3Quantemol Ltd, London, UK 

[email protected] 

Characterized  by  the  dissociative  ionization  phenomenon,  the  fragmentation  of  the 

molecules in the molecular collisions with electrons, is determined from the reaction rates 

and cross sections, the proximity, the incident electron energies and kinetic energies of the 

molecules. 

Irradiation  induced  chemistry  is  one  of  the  most  important  processes  in  the  new 

developments  in  nanotechnology  with  application  to  focused  electron  beam  induced 

deposition (FEBID) and Extreme Ultraviolet Lithography (EUVL).  The challenges in this newly 

adapted techniques for induced chemistry of molecules on particular substrates, come with 

the  creating  high  purity  high metal  content  structures  of  certain  shapes,  heights, widths. 

Correlation between gas phase studies with ultra‐high vacuum surface science bring to FEBID 

information for the designing of new precursors and deposition parameters optimization for 

the  processes  induced  by  low‐energy  electrons  such  as  dissociative  electron  attachment, 

dissociative ionization, neutral dissociation and dipolar dissociation.   

Quantemol‐N was employed to study and determine the effects on the molecules at certain 

energy ranges. The simulations were run on molecules such as Fe(CO)5, Co(CO)3NO for FEBID 

applications and CH4, CF4 and SF6 for plasma processing at low electron energies, 0 ‐ 25eV. 

With the use of Quantemol‐N simulation package, information on collision processes of low‐

energy  electrons  with  Fe(CO)5  molecules  and  the  interaction  processes  governing  this 

reactions, such as elastic cross‐sections, electronic excitation cross‐sections, electron impact 

dissociation,  scattering  reaction  rate,  rotational  excitation  cross  sections  to  dissociative 

electron attachment (DEA)  is presented.  [2], [3] 

[1]   A V Solov’yov et al, Eur. Phys. J. D (2016) 70                                                                                                                                                  [2]   J R Hamilton et al, Plasma Sources Sci. Technol. 27 (2018) 095008                                                                                                          [3]   J R Hamilton et al, Plasma Sources Sci. Technol. 26 (2017) 065010                                                                                                       [4]   Z Wang et al, Applied Surface Science 257 (2011) 9082‐9085                                                                                                                    [5]   Resnik et al, Materials 2018, 11, 311                                                                                                                                                               [6]   Laricchiuta et al, Plasma Phys. Control Fusion 61 (2019) 014009                                                                                                           [7]   John B Boffard et al, 2004, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 R143                                                                                                                         [8]   Yoon et al, J Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 39, No. 3, 2010                                                                                                                           [9]   Ingolfsson et al, Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6, 1904‐1926                                                                                                                  [10] van Dorp et al, J. Appl. Phys. 104, 081301 (2008) 

   

Page 16: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Fault modelling in HVDC systems at different pressures 

I. Timoshkin1, M. P. Wilson1, S. J. MacGregor1, 

N. Bonifaci2, R. Hanna2 

1Department of Electronic and Electrical Engineering, University of Strathclyde, 

204 George Street, Glasgow, UK 2G2Elab, 21 rue des Martyrs, Grenoble, France 

The development of advanced transportation systems such as electric vehicles and more electric aircraft requires electrical insulation that can operate in low pressure, high humidity, environments, and over a wide range of temperatures.  The use of high DC voltages in electrical avionic systems serves to minimise conduction losses and to achieve transmission of increased power levels over longer distances. Correspondingly the diameter and therefore the weight of wires and cables used in aircraft could be reduced, which is an important factor for the aero‐space industry. It is recognised that with higher electric stress, damage to dielectric materials providing electrical insulation within harsh environmental operating conditions may result in failure of the electrical system. Thus, insulation coordination in more electric aircraft is critical to avoid catastrophic damage of their electrical systems.  

The work reported in the present paper, investigates the electric field distribution around undamaged electrical wiring and around wiring with “soft” faults and is used in the analysis of gas discharge and breakdown processes, at lower pressures relevant to avionic applications. This analysis will underpin an insulation coordination strategy, which will be used to enable the optimisation of avionic insulation systems.  

Acknowledgement This work is supported by The British Council‐Alliance Hubert Curien Programme  

   

 

 

   

Page 17: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Plasma deposition of ‘fluffy’ carbon aggregates as analogues for dust in space 

I.C. Gerber1, I. Mihaila2, L.V Soroaga2,3, A. Chiper1, V. Pohoata1, I. Topala1 1Faculty of Physics, Iasi Plasma Advanced Research Center (IPARC); 2Integrated Center of 

Environmental Science Studies in the North‐Eastern Development Region (CERNESIM); 3Faculty of Chemistry, Alexandru Ioan Cuza University of Iasi, Carol I No. 11, Iasi, Romania 

[email protected]   

Various physico‐chemical methods have been developed to deposit carbon and silicon based 

materials as analogues for dust in space: condensation, physical vapour deposition, plasma 

enhanced chemical vapour deposition, combustion and pyrolysis, pulsed laser deposition. We 

discuss in this paper a new plasma method, based on high power impulse dielectric barrier discharge 

in helium and hydrocarbon gas mixtures, to obtain at low temperature carbon dust analogues, in 

form of both non‐aromatic thin films and ‘fluffy’ aggregates. 

The carbon interstellar dust analogues were deposited using a dielectric barrier discharge, hosted by 

a stainless steel chamber. The dielectric barrier discharge uses a 5 mm gas gap, and nanosecond high 

voltage pulses are used to excite the plasma (positive pulses of 7 kV amplitude, 1 kHz frequency and 

500 ns duration), in gas mixture of He (85%) ‐ Hydrocarbons (15%, methane, butane) at 600 Torr , for 

6 hours. 

The samples obtained from this deposition process, presented in Fig. 1, are composed out of 

inhomogeneous carbon aggregates, incompletely covering the substrates. Microscopic voids visible 

at mesoscale and a large internal surface area, were observed during the scanning electron 

microscopy investigations, using various magnifications and regions of the sample.   

The 3.4 micron feature (assigned to aliphatic −C−H stretching band), as well the CH2/CH3 ratio and 

the H/C value show a variability that is influenced by synthesis method, the pulsing regime and the 

experimental parameters of a specific technique [1‐4]. 

The dielectric barrier discharge in helium and hydrocarbon gas mixtures is a new method suitable for 

low temperature deposition of carbon dust analogues. The ‘fluffy’ carbon aggregates exhibits 

morphological features of recent observations of interplanetary, asteroidal and cometary dust. The 

spectroscopic features of the carbon dust analogues are in good agreement with observational data 

for sources presenting high column density of sp3 hybridized carbon atoms (Sgr A*, IRAS 

08572+3915, IRAS 19254–7245, NGC 1068 and NGC 5506). 

[1] Hodoroaba B, Gerber IC, Ciubotaru D, Mihaila I, Dobromir M, Pohoata V, Topala I, “Carbon fluffy aggregates produced by helium ‐ hydrocarbon high pressure plasmas as analogs to interstellar dust”, Mon Not R Astron Soc, 481, 2, pp. 2841‐2850 (December, 2018). 

[2] Mennella V, Brucato JR, Colangeli L, Palumbo P, “CH bond formation in carbon grains by exposure to atomic hydrogen: The evolution of the carrier of the interstellar 3.4 micron band”, Astrophys J, 569, 1, pp. 531 (April, 2002)  

[3] Peláez RJ, Maté B, Tanarro I, Molpeceres G, Jiménez‐Redondo M, Timón V, Escribano R, Herrero VJ, “Plasma generation and processing of interstellar carbonaceous dust analogs”, Plasma Sources Sci Technol, 27, pp. 035007 (March 2002) 

[4] Godard M, Féraud G, Chabot M, Carpentier Y, Pino T, Brunetto R, Duprat J, Engrand C, Brechignac P, d’Hendencourt L, Dartois E, “Ion irradiation of carbonaceous interstellar analogues ‐ Effects of cosmic rays on the 3.4 μm interstellar absorption band”, Astron Astrophys Suppl Ser, 529, pp. A146 (May, 2011) 

   

Page 18: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Turbulence‐induced entrainment in plasma jets 

Y. Morabit1, M. I. Hasanoror1, R. D. Whalley2, and J. L. Walsh1 

1 Centre for Plasma Microbiology, Department of Electrical Engineering and Electronics, 

University of Liverpool, L69 3GJ, United Kingdom 

2 School of Mechanical and Systems Engineering, Newcastle University, NE1 7RU, United 

Kingdom [email protected] 

Low temperature atmospheric pressure plasma jets generate a highly reactive and targeted 

stream of chemical species that have found application in a number of materials processing 

and healthcare applications. Understanding the complex interactions between the discharge 

and the downstream gas is the key to understanding and potentially controlling how 

reactive species are produced and transported to a downstream sample. One aspect of such 

interactions is the onset of turbulence when the plasma is ignited in a laminar helium jet, 

which significantly changes the gas composition downstream, thus altering the generated 

mixture of chemical species [1,2]. 

In this investigation, particle imaging velocimetry (PIV), laser induced fluoresce (LIF) and 

numerical modelling were used to provide quantitative insights into the air’s entrainment in 

the helium jet as a result of the plasma‐induced turbulence. Utilising statistical analysis of 

PIV velocity profiles and numerical modelling, it was possible to quantify the entrainment of 

air in the helium jet for different plasma powers. LIF was subsequently used to confirm this 

quantification by detecting the variation of OH density. It is shown that air entrainment not 

only occurs in the turbulent region of the jet, but also in its laminar region. Moreover, it is 

shown that an increase in the plasma power results in a larger entrainment and a higher 

density of OH due to entrained water vapour. Ultimately it is shown that the plasma‐

induced shear layer perturbations were the dominant mechanism of air entrainment in the 

laminar region of the plasma jet. 

[1] Li et al. (2009) Applied Physics Letters 95, 141502 [2] R D Whalley et al (2016) Scientific Reports 6, 31756 

   

Page 19: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Pseudospark plasma‐sourced sheet electron beam for the                              

generation of high power millimetre waves  

A.W. Cross1, L. Zhang1, C.R. Donaldson1, J. Xie2, H. Yin1, J. Zhang3, X. Chen3, Yasir Alfadhl3 J. Zhao3, K. Ronald1 and A. D. R. Phelps1  

1Department of Physics, SUPA, University of Strathclyde, Glasgow, G4 ONG, UK 2School of Electronic Science and Engineering, University of Electronic Science & Technology of China, 

Chengdu, 610054, China 3Department of Electronic Engineering, Queen Mary University of London, London, UK 

4School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049, China 

[email protected] 

A plasma‐sourced sheet electron beam generated by a pseudospark (PS) discharge is presented. The advantages 

of using a PS discharge to generate an electron beam includes: high current density, ion‐channel assisted beam 

focusing,  long life and simplicity with no external guiding magnetic field needed for beam transportation.   A 

pseudospark‐sourced sheet electron beam of dimensions: 2.0mm x 0.25mm in size with peak current  in  the 

range of 20‐30A (~104 A/cm2 beam current density) and peak voltage of ~32 kV was successfully measured after 

propagating a distance of 10‐mm without the need of an external focusing magnetic field.  

A PS discharge basically evolves through three stages, 1) Townsend discharge; 2) hollow cathode discharge; 3) 

final conductive stage [1]. Electron beams with moderate beam current and high energy can be obtained in the 

second  hollow  cathode  stage  for  direct  applications.  The  beam  current  reaches  its  maximum  in  the  final 

conductive discharge stage, while the beam energy rapidly decreases due to the breakdown between the gaps. 

Post‐acceleration of the PS beam generated can result in a desirable beam of combined high beam current and 

energy.  

As  shown  in  Fig.1,  the PS  sheet  beam generation  consisted of  a  pseudospark discharge  section and  a  post‐

acceleration unit [2]. Attached with the anode is a collimator disc with slot dimensions to form a sheet beam, 

Fig 2. Because of the gas background in the beam drifting area, a high energy beam front from the second hollow 

cathode stage would ionize the gas along its path to form an ion‐channel for later beam electrons to propagate. 

Therefore, there is no need for an external guiding magnetic field for beam transportation. Recent results on 

the use of a sheet electron beam to produce high power millimetre wave radiation will be presented [3]. 

 

Figure 2 Pseudospark plasma‐sourced sheet electron beam generation experiment 

 

 

Figure 2 Cross section image of the sheet beam of             

2.0 mm×0.25 mm 

[1] Frank, K., Boggasch, E., Christiansen, J., et al.: IEEE Trans. Plasma Sci., 1988, 16, (2), pp. 317‐323. [2] J. Zhao, H. Yin, L. Zhang, G. Shu, W. He, Q. Zhang, A. D. R. Phelps, and A. W. Cross, Phys. Plasmas 24, 

023105 (2017). [3] Yin H., Zhang L., Xie J. et al,  IET Microwaves, Antennas & Propagation, March 2019    

Beam shape

Correspond to

Page 20: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Gas‐plasma jet interaction with liquids: modelling and experiments 

Chinasa J. Ojiako1,2, Hemaka Bandulasena2, Roger Smith1, Dmitri Tseluiko1 1Department of Mathematical Sciences, Loughborough University, Loughborough, LE11 3TU, 

UK, 2Department of Chemical Engineering, Loughborough University, Loughborough, LE11 3TU, 

UK [email protected] 

 

Gas‐plasma interactions with liquids find applications in industries and medicine. We aim to model the interaction of an air‐plasma jet with a liquid accounting for hydrodynamics, electro‐hydrodynamics and chemical kinetics. This involves the calculation of the deformation of the surface of the liquid and flows generated in the gas and in the liquid [1], the rate at which the generated long‐lived plasma species are transferred to the liquid as well as the associated chemical reactions. When a plasma strikes a liquid, there is also an associated electric field and the plasma itself can also be quite hot. These two effects are decoupled and analysed separately.   We start by using the generated long lived plasma species [2,3] determined from experiment as the initial conditions for the plasma jet striking a liquid surface and quantify the plasma species that are transported into the liquid and the rates of chemical reactions, taking into account the motion of the fluid.   The problem is solved using the Computational Fluid Dynamics package in COMSOL and the numerical results are compared with experiments.   [1] C.J.Ojaiko et al, Deformation of Liquid Film by an impinging Gas Jet: Modelling and Experiments, Proceedings of the 6th International Conference on Fluid Flow, Heat and Mass Transfer (FFHMT’19). Avestia Publishing FFHMT 171. [2] Z. C. Lui et al, Physicochemical processes in the indirect interaction between surface air plasma and deionized water, J. Phy. D: Appl. 48, 495201 [3] A. Wright et al, Microbubble‐enhanced DBD plasma reactor: Design, characterisation and modelling, Chem. Eng. Research & Design, 144, 159‐173    

Page 21: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Study of Molybdenum Plasma by HIPIMS 

Daniel A. L. Loch, Arutiun P. Ehiasarian 

HIPIMS Technology Centre, Sheffield Hallam University, Sheffield, UK, 

[email protected] 

Molybdenum is a good candidate as back contact for CIGS cells, due to the appropriate bandgap, low 

resistivity and good reflectivity of Mo thin films. Compared to conventional PVD processes, HIPIMS 

offers  more  control  over  the  thin  film  properties  due  to  the  metal  ion  dominated  plasma.    The 

behaviour of gas species and their influence on the coating properties is not well understood. 

A complete understanding of the HIPIMS plasma can support the tailoring of better‐performing back 

contacts. 

In this study we report the findings of the plasma being analysed by current‐voltage (I‐V) waveform 

evaluation,  time‐resolved  plasma  sampling  energy‐mass  spectroscopy  and  optical  emission 

spectroscopy. A voltage‐pulse time matrix was devised varying the voltage from 800 ‐ 1500V and the 

pulse time was increased from 60 ‐ 1000μs in 5 steps. Processes were operated at 0.22Pa and 0.44Pa. 

The  increase and drop of the current within the pulse resulted  in a change  in Ar2+/Ar1+  flux.   Mass 

spectroscopy measurements were  taken  half‐way  through  the  pulse.  The Ar1+  IEDF  exhibits  a  low 

energy peak representing thermalised ions at 1.5eV. With increasing pulse time, the peak intensity 

increases by 2 orders of magnitude and a higher energy tail up to 15eV develops. Ar2+ IEDF displays a 

broad peak between 5‐15 eV, with a higher energy tail to 25eV. With increasing pulse time the tail 

disappears and the peak reduces by an order of magnitude (Fig.2). The ratio of the Ar2+/Ar1+ intensity 

is  larger  for shorter pulses and higher currents, and  reduces with  increasing pulse  time where the 

current reduces to a plateau.  This indicates that due to gas rarefaction in the beginning of the pulse, 

a significant fraction of double‐charged gas ions is created that can sustain high currents and higher 

sputter rates on account of the higher charge and energy of bombardment. 

To get further  insight  into the excited atom evolution with pulse time and voltage, we will also be 

discussing the OES results. The presented results reveal new details of the gas rarefaction process and 

illustrate the control potential for HIPIMS plasma in support of the development of better performing 

back contacts. 

 

Figure  1  IEDF's  of  Ar1+  at  800V  and  0.22Pa  for 

pulse widths of 60‐1000µs. 

 

Figure  2  IEDF's  of  Ar2+  at  800V  and  0.22Pa  for 

pulse widths of 60‐1000µs. 

Keywords: HIPIMS, Plasma Analysis, CIGS, Back contact 

   

Page 22: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Use of Atmospheric Pressure Plasma to Improve  Solid Oxide Cell Performance 

Ann V. Call1, Thomas D. Holmes1, Pratik D. Desai2, William B. Zimmerman1,  

Rachael H. Rothman1 

1The University of Sheffield, Sheffield, United Kingdom 

 2 Perlemax, Sheffield, United Kingdom 

[email protected] 

The reduction in carbon emissions required to meet the 2°C scenario (2DS) and the resultant 

necessary decarbonisation of energy generation require an increased focus on renewable 

energy sources. Solid Oxide Cells (SOCs) are widely seen as a leading technology for future 

clean power generation and chemicals production, whether operated in fuel cell (SOFC) or 

electrolysis (SOEC) mode. However, SOCs have a number of performance limitations, 

including the energy associated with dissociative ionisation and the comparatively low 

density of reaction sites to facilitate this process. Improvements can typically be made via 

surface catalysis, but this in turn is limited by the cost and scarcity of catalysts, typically 

comprised of precious or rare earth metals.  

Improvements to cell geometry and composition have been used to incrementally improve 

performance, however increasing performance through the incorporation of atmospheric 

pressure plasma (APP) sources has the potential to reduce the operating cost of the system 

by removing the need for costly catalysts and increasing the density of available ions. The 

ability of APP’s to enable high temperature chemistry to occur at low bulk gas temperatures 

offers a higher efficiency option for providing the necessary activation energy for ion 

formation by dissociation. Applied specifically to CO2 plasmas, this has the potential to 

improve the efficiency of SOC’s to form O2‐ ions from CO2. As part of this work, a novel 

bespoke rig was used to combine electrocatalysis and atmospheric pressure CO2 plasma. 

The experimental design and progress to date will be covered. 

   

Page 23: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and 

mechanical bactericidal activity 

May, P.W. 1, Dunseath, O.1, Smith, E.J.W.1, Al‐Jeda, T.1,  

Smith, J.A.1,  Nobbs, A.2, Hazell, G.2 & Welch, C.C.3 

1School of Chemistry, University of Bristol, Bristol, U.K. 

2Bristol Dental School, University of Bristol, Bristol, U.K. 

3Oxford Instruments Plasma Technology, Yatton, Bristol, U.K. 

[email protected] 

‘Black silicon’ (bSi) samples with surfaces covered in nanoneedles of length ~5 μm were fabricated 

using a plasma etching process and then coated with a conformal uniform layer of diamond using 

hot filament chemical vapour deposition to produce ‘black diamond’ (bD) nanostructures1,2. The 

diamond needles were then chemically terminated with H, O, NH2 or F using plasma treatment, and 

the hydrophilicity of the resulting surfaces were assessed using water droplet contact‐angle 

measurements. 

The effectiveness of these differently terminated bD needles in killing the Gram‐negative bacterium 

E. coli was semi‐quantified by Live/Dead staining and fluorescence microscopy, and visualised by 

SEM (see Fig.1). The total number of adhered bacteria was consistent for all the nanostructured bD 

surfaces at around 50% of the value for the flat diamond control. This, combined with a chemical 

bactericidal effect of 20‐30%, shows that the nanostructured bD surfaces supported significantly 

fewer viable E. coli than the flat controls.  

The bD surfaces were particularly effective at preventing the establishment of bacterial aggregates – 

a precursor to biofilm formation. The percentage of dead bacteria also decreased slightly as a 

function of hydrophilicity, with superhydrophobic F‐terminated bD killing 50% of the adherent 

bacteria. These results are consistent with a predominantly mechanical mechanism for bacteria 

death based on the stretching and disruption of the cell membrane, combined with a smaller 

additional effect from the chemical nature of the surface. 

 

Figure 3. An E. coli bacterium lying uncomfortably on top of a black diamond needle surface. 

[1] P.W. May, M. Clegg et al., "Diamond‐coated ‘black silicon’ as a promising material for high‐surface‐area electrochemical electrodes and antibacterial surfaces", J. Mater. Chem. B. 4 5737‐5746 2016. 

[2] G. Hazell, P.W. May, P. Taylor, A.H. Nobbs, C.C. Welch, B. Su, "Studies of black silicon and black diamond as materials for antibacterial surfaces", Biomater. Sci. 6 1424‐1432 2018. 

[3] O. Dunseath, E.J.W. Smith, T. Al‐Jeda, J.A. Smith, S. King, P.W. May, A.H. Nobbs, G. Hazell, C.C. Welch, B. Su, "Studies of Black Diamond as an antibacterial surface for Gram Negative bacteria: the interplay between chemical and mechanical bactericidal activity", Sci. Rep. 9 (2019) 8815. 

   

Page 24: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Plasma‐driven organic synthesis: Waste‐free epoxidation 

Xu H1,3, Wang S1,3, Shaban M1, Montazersadgh F1, Alkayal A2, Liu DX3, Kong MG3,  

Buckley BR2, Iza F1 1Wolfson School of Mechanical, Electrical and Manufacturing Engineering, Loughborough 

University, Leics. LE11‐3TU;  2 Dept. Chemistry, Loughborough University, Leics. LE11‐3TU; 3 

Center for Plasma Biomedicine, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, P. R. China   

[email protected]   

Advancements in non‐thermal plasmas operating at atmospheric pressure have made possible novel 

processing of liquids that were not conceivable in conventional vacuum systems due to vapor 

pressure limitations. In addition to their rapidly growing use in medicine, agriculture and food 

industries, catalysis, nanoparticle synthesis and water treatment, the interaction of plasmas with 

organic liquids opens up new opportunities in organic synthesis. 

Despite the limited success of early studies of plasma‐driven organic synthesis in low‐pressure 

systems in the 70’s, direct treatment of liquids at atmospheric pressure provides a new paradigm for 

the interaction of plasma species with organic molecules. In particular, these reactions often create 

excited intermediates and when generated in the liquid phase, these intermediates undergo many 

collisions, which lead to the rapid removal of excess energy and favour chemical pathways different 

from those observed in low pressure gaseous systems.  

Of particular interest, are novel synthetic processes that eliminate waste streams. In this study we 

focus on the synthesis of epoxides, key building blocks in the chemical industry that are used as 

intermediates in the preparation of many products (drugs, paints, adhesives, sealants, plastics, etc). 

Epoxides are typically synthesized by oxidizing alkenes and the ultimate oxygen donor would be 

molecular oxygen (O2) because it is readily available and once incorporated into the target molecule 

it generates no oxidant waste stream. Unfortunately, owing to the lack of reactivity of small 

molecular oxygen donors (e.g. O2, H2O2) with alkenes, catalysts and peracids (i.e. organic compounds 

with an O=C‐O‐OH functional group that can readily donate an oxygen atom) are often used to drive 

epoxidation reactions. A widely used peracid is m‐chloroperbenzoic acid (mCPBA), which although 

effective, is also corrosive and explosive, leads to chlorinated waste products and even under 

optimum epoxidation conditions, it produces more than 10 kg of waste stream per kg of oxygen 

transferred.  

As an alternative, here we report on the use of reactive oxygen species generated in an oxygen‐

containing atmospheric‐pressure plasma to drive the epoxidation of alkenes in solution, in a process 

that produces epoxide without generating oxidant waste‐streams, runs at room temperature and 

atmospheric pressure, and requires no catalyst. [1]  The reactions between different reactive oxygen 

species generated in the plasma and the target alkene, trans‐stilbene in this study, have been 

identified and optimization of the plasma conditions within the constraints of the current 

experimental set‐up have led to yields of ~70%, which are of preparative interest. 

[1] Xu, H et al., Plasma Process Polym. 2019; e1900162     

Page 25: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Increasing control of electron, ion and neutral heating in  radio‐frequency hollow cathode microthrusters 

Scott J. Doyle1, Andrew R. Gibson1, Sid Leigh1, Gregory J. Smith1,  

Rod W. Boswell2, Christine Charles2, Mark J. Kushner3 and James P. Dedrick1 

1York Plasma Institute, Department of Physics, University of York, Heslington,  

York, YO10 5DD, UK 2Space Plasma, Power and Propulsion Laboratory, Research School of Physics and 

Engineering, The Australian National University, ACT 0200, Australia 3University of Michigan, Department of Electrical and Computer Engineering, 1301 Beal Ave., 

Ann Arbor, MI 48109‐2122, USA 

[email protected] 

Low‐power,  compact  and  charge‐neutral  propulsion  sources  are  of  significant  interest  for 

meeting the  increasingly demanding challenges of space missions  [1]. Radio‐frequency  (rf) 

hollow cathode microthrusters operate by heating the neutral gas propellant. To maximise 

thrust‐power  efficiency,  it  is  important  to  control  the  spatial  and  temporal  deposition  of 

electrical power into the plasma. In this study, we investigate control strategies for electron, 

ion and neutral heating in the recently developed Pocket Rocket microthruster [2], operating 

in  argon  at  1.5  Torr  plenum pressure,  via  2D  fluid‐kinetic  simulations  and  phase‐resolved 

optical  emission  spectroscopy.  Electron  power  deposition,  and  the  ion  and  neutral‐gas 

heating this underpins,  is  investigated across the α‐γ mode transition and on‐axis pressure 

gradient for single‐frequency [4] and ‘tailored’ voltage  waveform excitation [4]. Strategies for 

enhancing control of the charged and neutral particle dynamics, e.g. structured ion energy 

distribution  functions  at  the  radial  wall  [5],  via  the  applied  voltage  waveform  are  also 

discussed. 

We wish to thank J. Flatt, R. Armitage, K. Niemi and P. Hill for their technical assistance and acknowledge financial support from the Engineering and Physical Sciences Research Council (EP/M508196/1). The participation of M. J. Kushner was supported by the US National Science Foundation and the US Department of Energy Office of Fusion Energy Science.  1. I. Levchenko et al. Space micropropulsion systems for Cubesats and small satellites: From proximate 

targets to furthermost frontiers. Applied Physics Reviews 5 011104 (2018) 2. C.  Charles  and  R. W.  Boswell. Measurement  and modelling  of  a  radiofrequency micro‐thruster. Plasma 

Sources Science and Technology 21 022002 (2012) 3. S. J. Doyle, A. R. Gibson, J. Flatt, T. S. Ho, R. W. Boswell, C. Charles, P. Tian, M. J. Kushner and J. Dedrick. 

Spatio‐temporal plasma heating mechanisms  in a  radio  frequency electrothermal microthruster. Plasma Sources Science and Technology 27 085011 (2018) 

4. S. J. Doyle, A. R. Gibson, R. W. Boswell, C. Charles and J. Dedrick. Control of electron, ion and neutral heating in a radio‐frequency electrothermal microthruster via dual‐frequency voltage waveforms. Plasma Sources Science and Technology 28 035019 (2019) 

5. S. J. Doyle, A. R. Gibson, R. W. Boswell, C. Charles and J. Dedrick. Inducing locally structured ion energy distributions in intermediate‐pressure plasmas. Physics of Plasmas 26 073519 (2019) 

   

Page 26: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

 

 

Technological Plasma Workshop 2019 

Abstracts for Poster Presentations 

   

Page 27: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

A helicon plasma apparatus for fundamental wave‐plasma experiments 

K. Ronald1, B. Eliasson1, A.W. Cross1, K. Wilson1, R. Bingham3,1, C.G. Whyte1, 

A.D.R. Phelps1, R.A. Cairns2,1, M.E. Koepke4,1, D.C. Speirs1, C.W. Robertson1, P. MacInnes1, 

and R. Bamford3 

1 Department of Physics, SUPA, University of Strathclyde, Glasgow, G4 0NG, Scotland 

2 School of Mathematics and Statistics, University of St Andrews, KY16 9SS, Scotland 

3 STFC Rutherford Appleton Laboratory, Harwell, Oxford, Didcot, OX11 0QX, England 

4 Department of Physics, West Virginia University, Morgantown, WV 26506‐6315, USA 

[email protected] 

In a wide range of interesting plasma physics scenarios, electromagnetic (EM) waves are key to 

providing  energy.  Plasmas  support  and  enable  complex  interactions  between  multiple  EM 

signals. Raman and Brillouin coupling of two EM waves by Langmuir oscillation or through ion‐

acoustic waves respectively are important in laser plasma interactions. It is possible to achieve 

normalised intensities comparable to those used in some laser plasma interactions at microwave 

frequencies. The plasmas required to couple such microwave beams are relatively tenuous coo 

and accessible. This enhances the diagnostic opportunities to characterise the physics of these 

processes.  Magnetic  confinement  fusion  physics  may  directly  benefit  from  multifrequency 

microwave  interaction  in  plasma  to  excite  cyclotron  and  upper  hybrid  resonances  in  dense 

plasma, either for heating or current drive. 

 

Building  on  earlier  research  investigating  geophysical  cyclotron  wave  emissions  [1,2],  a  new 

linear  plasma  experiment,  figure  1,  is  being  developed  to  test  multifrequency  microwave 

interactions in magnetised plasma. The magnetic field will reach up to 0.085T, with the plasma 

created by a helicon wave launched from an RF antenna. This will produce a large, dense, cool 

plasma. Fixed frequency, and wideband sources and amplifiers will provide microwave beams for 

the multi‐signal interaction experiments. The paper will present progress on this apparatus. 

 

 Figure 1: Perspective model of the apparatus 

The authors gratefully acknowledge support from the EPSRC (EP/R004773/1), MBDA UK Ltd 

and TMD Technologies Ltd. 

 [1] Ronald K., Speirs D.C., McConville S.L., Phelps A.D.R., Robertson C.W., Whyte C.G., He W., Gillespie K.M., 

Cross A.W., Bingham R., 2008, Phys. Plasmas, 15, art.056503 

[2] Speirs D.C., Bingham R., Cairns R.A., Vorgul I., Kellett B.J., Phelps A.D.R., Ronald K., 2014, Phys. Rev. Lett., 

113, art 155002   

Page 28: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Metrology for in‐situ industrial plasma processing 

Michael Mo1, Andrew R. Gibson2, Chris Bowman3, Timo Gans1, Deborah O’Connell1 1 York Plasma Institute, Department of Physics, University of York, York, YO10 5DQ, UK 2 Institute for Electrical Engineering and Plasma Technology, Ruhr‐Universität Bochum, 

Universitätsstr. 150, Gebäude ID 1/517, Bochum, 44801, Germany 3 Culham Centre for Fusion Energy, Culham Science Centre, Abingdon, Oxford, OX14 3EB, UK 

[email protected] 

Real‐time monitoring of plasma parameters is highly desirable in industry to improve the efficiency of manufacturing processes. These include the atomic oxygen density and the mean electron energy; atomic oxygen helps to drive many plasma processing applications [1] while the latter shapes the Electron Energy Distribution Function (EEDF), which in turn determines the chemistry of the plasma [2]. Both are pivotal in controlling plasma‐surface interactions, such as the etch rate of semiconductors.   While advanced diagnostics can obtain these plasma parameters to a high degree of accuracy, they are incompatible with industrial machines due to their experimental complexities. Optical Emission Spectroscopy (OES) offers a non‐intrusive approach to infer these and has been used to estimate electron temperature for argon containing plasmas [3, 4].   Consequently, the development of a sensor that only uses light emitted from argon‐oxygen plasmas to obtain the mean electron energy and atomic oxygen density in real‐time is investigated. A Bayesian approach is employed where theoretical excitation ratios are compared against experimental emission intensity ratios for a range of admixtures, powers and pressures up to several hundred millitorrs to infer the plasma parameters. Plus, due to the presence of molecular oxygen, quenching effects will also be considered. These are benchmarked against results obtained through Energy Resolved Actinometry where the mean electron energy and dissociation degree are simultaneously resolved [1, 5].   [1] Tsutsumi et al. 2017 Journal of Applied Physics 121, 143301  [2] DeJoseph et al. 2005 Physical Review E 72 036410  [3] Siepa et al. 2014 J. Phys. D: Appl. Phys. 47 445201  [4] Chung et al. 2012 Phys. Plasmas 19, 113502  

   [5] Greb et al. 2014 Appl. Phys. Lett. 105, 234105 

   

Page 29: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Atmospheric pressure microplasma as synthesis method for nitrogen doped 

carbon quantum dots applied to third‐generation solar cells  

Slavia Deeksha Dsouza1, 2, Atta Ul Haq1, Paul Brunet1, Bruno Alessi1, Ruairi McGlynn1, 

Chiranjeevi Maddi1, Paul Maguire1, Vladimir Svrcek2, Davide Mariotti1 1Nanotechnology & Integrated Bio‐Engineering Centre (NIBEC), Ulster University, 

Jordanstown, Newtownabbey, Co. Antrim, BT37 0QB, United Kingdom 

 2National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) 

Central 2, Umezono 1‐1‐1, Tsukuba, Ibaraki, 305‐8568, Japan  

Dsouza‐[email protected] 

Atmospheric pressure microplasmas form an easy and precise method for synthesis of 

nanoparticles and for controlling the optical and electronic properties [1]. Carbon 

nanoparticles are a promising alternative to semiconductor nanocrystals as next generation 

green nanomaterials due to excellent biocompatibility, low cytotoxicity and solution 

processability which results in ease of production and incorporation in devices [2]. In the 

current work, we describe how direct current microplasmas serve as a reliable and highly 

reproducible synthesis method for tuning the optical properties of nitrogen doped carbon 

quantum dots in colloid form which result as being highly stable and environmentally‐

friendly. The outcome of precursors and discharge current of the microplasma affecting the 

particle morphology and optical properties are studied using various characterization 

techniques. An attempt is made towards explanation of the synthesis and luminescence 

mechanism by studying the electron interaction taking place at the liquid‐plasma interface. 

The synthesized quantum dots are non‐toxic and water dispersible and hence there is good 

potential for their implementation as absorber materials in solar cells. Since the method 

gives rise to solution‐processable quantum dots, incorporation into solar cell devices is 

relatively easy and does not require high‐temperature methods or complex chemical 

reactions.  

[1] Davide Mariotti, Jenish Patel, Vladimir Svrcek, Paul Maguire, Plasma–Liquid Interactions at Atmospheric Pressure for Nanomaterials Synthesis and Surface Engineering, Plasma Process. Polym., 9 (2012) 1074–1085. 

[2] L. Lin, M. Rong, F. Luo, D. Chen, Y. Wang, X. Chen, Luminescent graphene quantum dots as new fluorescent materials for environmental and biological applications, TrAC ‐ Trends Anal. Chem. 54 (2014) 83–102.  

   

Page 30: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Time resolved electron properties measured by laser Thomson scattering in a 

HiPIMS plasma  

Marcus A. Law1, Mark D. Bowden1 and James W. Bradley1 1Department of Electrical Engineering and Electronics, University of Liverpool, Brownlow Hill, 

Liverpool l69 3GJ, United Kingdom 

[email protected]  

High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) belongs to a group of plasma‐based deposition 

techniques called Ionised Physical Vapour Deposition (IPVD) [1]. The process creates dense plasmas 

and produces large amounts of metal ions through sputtering of the cathode (target), which is 

achieved by applying a large negative voltage pulse to the target. To stop the target from melting, 

these pulses are short and of the order 10‐100µs with low duty cycles of about 1%. An advantage of 

this is that by biasing the substrate, the direction and energy of the ions can be controlled and hence 

the films created are superior, being harder, denser and smoother in comparison to DC operation. 

This however poses a challenge as an experimentalist, as the high flux of sputtered materials creates 

a difficult environment for most plasma diagnostics.  

At the University of Liverpool, Department of Electrical Engineering and Electronics we have 

designed an experiment such that time resolved measurements can be made by laser Thomson 

scattering on the HiPIMS waveform, both in the active‐glow and after‐glow. Results have been 

published in [2] by P.J. Ryan and presented here is an example of the time evolution of the electron 

temperature and density at the magnetic null point.  

A disadvantage to this technique is the lower deposition rate in comparison to DC operation. Further 

work will include the addition of a positive “kick” pulse after the active glow to counter this lower 

deposition and electron properties will be measured throughout. The study will also incorporate 

probes and comparisons between both diagnostics will be done.  

[1]  U. Helmersson, M. Lattemann, J. Bohlmark, A. P. Ehiasarian, J. T. Gudmundsson, Thin solid films 513, 1 (2006) 

[2] P. J. Ryan, J. W. Bradley, M. D. Bowden,Physics of Plasmas26, 040702 (2019).  

   

Page 31: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Plasma‐driven epoxidation using a He+O2 atmospheric pressure COST plasma jet 

H. Xu1,2, S. Wang1,2, M. Shaban1, D.X. Liu2, B.R. Buckley3, F. Iza1  

1 Wolfson School of Mechanical, Manufacturing and Electrical Engineering, Loughborough University, Loughborough, Leics LE11‐3TU, UK 

2 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Center for Plasma Biomedicine, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, P. R. China 

3 Department of Chemistry, Loughborough University, Loughborough, Leics LE11‐3TU, UK [email protected] 

Being rich sources of reactive oxygen species, plasmas are found to be effective in oxidizing 

organic compounds and in particular, it has recently been reported that plasma‐generated 

atomic oxygen readily dissolves in water and directly oxidises organic solutes [1]. This opens 

the possibility to a new plasma‐driven catalyst‐free epoxidation process that eliminate the 

oxidant waste‐stream of conventional approaches [2]. In this paper, we report on a 

systematic study of the epoxidation of trans‐stilbene solutions treated with a He+O2 COST 

plasma jet. The experimental set‐up is shown in Figure 1 and different oxygen 

concentrations, electrode voltages and gap distances were used to unravel the role of 

atomic oxygen (O), ozone (O3) and singlet oxygen O2(alAg) in the oxidation of trans‐stilbene.  

Experiments with photosensitized singlet 

oxygen indicate that O2(alAg) leads to the 

production of very little epoxide and more 

abundant cis‐stilbene, and two additional 

products that are not observed in typical 

plasma experiments. As a result, it can be 

concluded that singlet oxygen plays a 

minor role in the oxidation of trans‐

stilbene in the current system. This leaves 

ozone and atomic oxygen as the main 

reactive species leading to the production 

of the observed benzaldehyde and 

epoxide. By varying the concentration of 

oxygen in the gas and the distance 

between the plasma and the liquid, it is possible to vary the ratio of atomic oxygen and 

ozone reaching the liquid. These experiments indicate that ozone leads to the production of 

benzaldehyde with virutally no other product. Therefore, to maximize the epoxide 

production, the plasma should be engineered to maximize the ratio of atomic oxygen to 

ozone.  With the experimental setup used in this study and under optimum conditions, a 

maximum yield of epoxide of 70% is achieved.  

[1] J. Benedikt et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 12037 (2018). [2] J. Golda et al. J. Phys. D. Appl. Phys. 49, (2016).    

Figure. 1 (a) A photograph of the COST jet with He+O2 plasma and (b) the schematic of the experimental system

for plasma-driven epoxidation of trans-stilbene.

Page 32: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

An integrated microfluidic chip for generation and transfer of 

reactive species using gas plasma  

O. Ogunyinka, A. Wright, G. Bolognesi, F. Iza, H. Bandulasena 1Wolfson School of Mechanical, Electrical and Manufacturing Engineering 

2Department of Chemistry 

Loughborough University, Loughborough LE11 3TU, United Kingdom  

Reactive species produced by atmospheric pressure plasma (APP) are useful in many applications including disinfection, pre‐treatment, catalysis, detection and chemical synthesis. Most highly reactive species produced by plasma, such as ∙OH, 1O2 and  ∙ , are short‐lived; therefore, in‐situ generation is essential to transfer plasma products to the liquid phase efficiently.  A novel microfluidic device that generates a dielectric barrier discharge (DBD) plasma at the gas‐liquid interface and disperses the reactive species generated using microbubbles of ca. 200 µm in diameter has been developed and tested. As the bubble size affects the mass transfer performance of the device, the effect of operating parameters and plasma discharge on generated bubbles size has been studied. The mass transfer performance of the device was evaluated by transferring the reactive species generated to an aqueous solution containing dye and measuring percentage degradation of the dye. Monodisperse microbubbles (polydispersity index between 2 ‐ 7%) were generated under all examined conditions. The generated microbubble size increased by up to ~ 8% when the device was operated with the gas plasma in the dispersed phase compared to the case without the plasma due to thermal expansion of the feed gas.  At the optimal operating conditions, initial dye concentration was reduced by ~60% in a single pass with a residence time of 5‐10 s. This microfluidic chip has the potential to play a significant role in lab‐on‐a‐chip devices where highly reactive species are essential for the process such as organic synthesis.     

Page 33: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Plasma cathode electron beam for high‐integrity materials processing 

Andrew Sandeman1,2,3, Sofia del Pozo2, Felipe Iza1 1Loughborough University, Leicestershire LE11 3TU 

 2TWI Ltd., Granta Park, Abington, Cambridge CB21 6AL 

 3NSIRC, TWI Ltd., Granta Park, Abington, Cambridge CB21 6AL 

[email protected]   

Conventional thermionic electron sources have been used in electron beams since the 1950s for 

welding, additive manufacturing, and surface modification.  However, beam quality and reliability 

has remained an issue due to wear and sensitivity of thermionic cathodes, especially for processing 

which requires high‐integrity.  Characterisation and optimisation of a plasma cathode is currently 

being done to offer an alternative to the thermionic cathode and provide a more consistent electron 

beam. 

The design of the plasma cathode is based on a hollow cathode geometry using Ar gas (see Fig. 1).  

Fig. 2(a) shows the pressure dependence of the Ar+ flux energy distribution at the centre of the 

hollow cathode.  At pressure = 7e‐2 mbar, the Ar+ ions reach the walls with the full energy from the 

field as they transition the sheath without undergoing collisions.  As the pressure increases the ions 

lose energy due to collisions in the sheaths and reach the cathode wall with lower energy.  As the 

pressure increases from 7e‐2 to 14e‐2 mbar, the ion flux to the cathode decreases and yet the 

plasma density (Fig. 2(b)) increases, which suggests that electrons are ionising the gas more 

efficiently (expending their energy in ionisation collisions before being lost to the anode).  As the 

pressure increases further, the ion flux increases which leads to more secondary electrons being 

emitted, more ionisation and a higher plasma density. 

 

Figure 1. Plasma chamber and axisymmetric simulation domain.  Ion bombardment of the hollow cathode releases electrons via secondary emission, which then perform a pendular motion between opposing cathode sheaths. 

 

Figure 2. Simulation diagnostics at the centre of the hollow cathode: (a) flux energy distribution of Ar+. (b) e‐ density. 

[1] Verboncoeur, J. P., Langdon, A. B., & Gladd, N. T. (1995). An object‐oriented electromagnetic PIC code. Computer Physics Communications, 87(1–2), 199–211. https://doi.org/10.1016/0010‐4655(94)00173‐Y 

   

Page 34: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Enhanced Fuzzy Tungsten Growth in the Presence of Tungsten Deposition  

P. McCarthy1, D. Hwangbo2, M. Bilton3 and J. Bradley1  1Department of Electrical Engineering and Electronics, The University of Liverpool, Liverpool, 

L69 3GJ, UK  2 Graduate School of Engineering, Nagoya University, Furo‐cho, Nagoya 44‐8603, Japan 

3 Imaging Centre at Liverpool, The University of Liverpool, Liverpool, L69 3GL, UK  

[email protected] or [email protected]  

A major concern for the safe operation of the thermonuclear fusion device ITER is the production of 

surface nanostructures on tungsten components due to helium plasma irradiation [1]. These 

nanostructures, known as fuzz, consist of nanoscale tendrils interlocking across the W surface, 

changing both optical and mechanical properties of the material [2]. Worryingly, fuzz growth has 

been observed to be easily removed from W components in fusion environments [3], posing 

concerns about the poisoning of fusion plasma with W material. 

In this study we investigate the evolution of fuzzy tungsten growth for a temperature and helium ion 

fluence range, whilst also depositing a significant auxillary source of tungsten. This will be important 

with respect to ITER’s operation since a considerable flux of ablated or sputtered tungsten is 

expected to deposit on tungsten first wall components that are meeting the conditions (of 

temperature, helium ion fluence ) for fuzz to form [4]. 

Here, through the use of a DC magnetron sputtering device, we are able to deposit tungsten atoms 

at a controlled rate on to tungsten samples as they transition to fuzz. Importantly, this is done with 

surface temperatures, helium ion energies and tungsten flux densities relevant to those expected at 

the ITER divertor [5]. We study the effect of tungsten deposition on the growth rates and 

morphology of the resulting fuzz for helium ion fluences in the range of 4 x 1023 – 1 x 1025 m‐2. The 

magnetron grown fuzzy tungsten surfaces were compared and contrasted with those produced in a 

deposition‐free environment of the linear plasma device NAGDIS II (across a similar ion fluence 

range).  

Our findings show that fuzz formation during deposition of tungsten results in significantly enhanced 

fuzz growth rates. We have also observed that the enhancement in the growth rates is accelerated 

for increases in the surface temperature and tungsten atom‐to‐helium ion arrival rate ratio. 

[1] S. Kajita et al, “Formation process of tungsten nanostructure by the exposure to helium plasma under fusion relevant plasma conditions,” Nucl. Fusion, 49, 9, 095005, 2009 

[2] S. Kajita et al, “Degradation of optical reflectivity of in‐vessel mirror materials by helium bombardment,” J. Nucl. Mater., 417, 1–3, 838–841, 2011 

[3] F. W. Meyer, H. Hijazi, M. E. Bannister, K. A. Unocic, L. M. Garrison, and C. M. Parish, “Flux threshold measurements of He‐ion beam induced nanofuzz formation on hot tungsten surfaces,” Phys. Scr., vol. 2016, no. T167, 2016  

[4] K. Schmid, K. Krieger, S. W. Lisgo, G. Meisl, and S. Brezinsek, “WALLDYN simulations of global impurity migration in JET and extrapolations to ITER,” Nucl. Fusion, vol. 55, no. 5, 2015 

[5] G. De Temmerman et al, “The influence of plasma‐surface interaction on the performance of tungsten at the ITER divertor vertical targets,” Plasma Phys. Control. Fusion, 60, 044018 2018 

   

Page 35: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Investigation of a Capacitively Coupled RF Allylamine Discharge 

M. J. Barnes1, A. Robson2, R.D. Short2, J. W. Bradley1 1University of Liverpool, 2University of Lancaster. 

[email protected] 

Polymer films deposited through the plasma polymerisation of organic compounds have found a wide variety of applications including biosensors [1], cell attachment [2], nanoparticle attachment [3], and fabrication of non‐fouling surfaces [4]. Allylamine is one of the most commonly utilised monomers in the production of aminated films, due to the retention of primary amines in the polymer surface. Polymer films containing high concentrations of primary amine groups are of particular interest due to their ability to covalently or electrostatically bind biomolecules to surfaces [5].  In this study in situ mass spectrometry (RGA and positive ions) of RF capacitvely coupled allylamine plasmas across a gas pressure range of 2‐80 Pa with powers of 5‐20 W was carried out. The resulting spectra demonstrated a dominance of the protonated monomer at higher pressures and lower input powers, as well as suppression of higher mass molecules and diligomers. Ion energy distribution measurements also provide insight into the origin of the protonated monomer signal, and the importance of the sheath at high pressures. At low pressures the flux is almost entirely determined by high energy molecules originating from the plasma bulk accelerated through the sheath. Low energy molecules which are either formed in the plasma sheath or undergo collisions as they propagate to the grounded substrate dominate the measured energy distributions when operating at higher pressures. Langmuir probe measurements will also provide additional understanding of changing mass spectrum intensities across the measured pressure range.   [1] L‐Q. Chu, W. Knoll, R. Förch, in Surface Design: Applications in Bioscience and Nanotechnology, R. Förch, H. Schönherr, A. T. A. Jenkins, Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany 2009.  

[2] P. Hamerli, Th. Weigel, Th. Groth, D. Paul, Biomaterials 2003, 24, 3989  

[3] R. V. Goreham, R. D. Short, K. Vasilev, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 3429.  

[4] A. Michelmore, P. Gross‐Kosche, S. A. Al‐Bataineh, J. D. Whittle, R. D. Short, Langmuir 2013, 29, 2595.  

[5] D. E. Robinson, A. Marson, R. D. Short, D. J. Buttle, A. J. Day, K. L. Parry, M. Wiles, P. Highfield, A. Mistry, J. D. Whittle, Adv. Mater. 2008, 20, 1166     

Page 36: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Power controlled Atmospheric‐pressure Plasma Treatment System 

J. Ren a, A. Wright b, A. Shaw a, H. Bandulasena b and F. Iza a a Wolfson School of Mechanical, Electrical and Manufacturing Engineering, Loughborough 

University, Loughborough, Leicestershire, UK, LE11 3TU b Dept of Chemical Engineering, Loughborough University, Leicestershire, LE11 3TU, UK 

[email protected]  

Recently, cold atmospheric‐pressure plasmas (CAPs) have become an emerging technology with great potential  in  many  applications  cover  a  broad  spectrum  of  topics  including  medical,  surface modification  and  environmental  protection  systems.  Many  experimental  results  suggest  that  the performance of the plasma reactor depends on the power delivered to the discharge, and the key challenges in all plasma systems are the stabilisation, repeatability and control of the discharge [1]. With this brings increased focus on the Power Supply Units (PSU) required to generate the necessary electrical field for dielectric barrier discharge plasmas and to control the power for a long time and stable plasma treatment. In this project a novel plasma water treatment system has been developed with a power controlled high AC voltage PSU. 

The PSU design proposed in this work solves many existing issues that related to output waveform control. The system is based on the conjunction of a full‐bridge DC‐AC inverter and a high turn ratio step‐up resonant transformer. The control signals of the inverter, pulse‐width modulation (PWM), are all produced by a specific microcontroller. This design can achieve a specific voltage (10~40kVp‐p) with a  specific  frequency  (1~100kHz)  from  input DC  voltages  (60~300V),  allowing  for  greater  flexibility. Further to this, the system should allow the user to configure the run time frequency, on‐time and duty cycle of the signal through an intuitive user interface.  

The experiment set up in figure 1 includes a power control PSU, a DBD microbubble plasma reactor, 

diagnostic equipment, and a computer  for data storage and analysis. The power supply provides a 

high voltage at variable frequency to sustain the plasma, which forms between a metallic membrane 

and  an  array  of  columnar  electrodes.  The  latter  are  encapsulated  in  glass  tubes,  providing  a DBD 

arrangement.  Typical  operation  conditions  of  this  device  require  12  kV  peak  to  peak  at  38  kHz. 

Compressed air is used to force an air flow through the membrane and a mass flow controller is used 

to maintain a constant flow even if there are variations in the pressure of the compressed air line.  

The  starting average power delivered  to  the plasma was evaluated using Q‐V Lissajous and  it was found to be ~15 W which decrease 20% after 2 hours treatment without power control. It also leads to a lower ozone concentration (650 ppm) in water compare to the ozone concentration (850 ppm) of the power control plasma treatment after two hours.  

Air outlet / FTIR

Drafttube

AirInlet

Flow Meter

HVGround

Membrane

Plasma

Spectrum

Electrode Power supply

Oscilloscope

Airsupply

High speed camera

UV light

Computer

pH and conductivity

meter

 

Figure 1: The schematic diagram of the experimental set up 

[1] P. Vadym, R. Alonso, and K. Konstantin,  “On the measurement of Single‐Electrode Low‐Power Ar Plasma Jets,” Brazilian Journal of Physics, vol. 46, no. 5, pp. 496‐502, 2016. 

Page 37: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Electro carboxylation of Alkene with Carbon Dioxide in the presence of 

Plasma 

M. Shaban1, A. Randi1,2, A. Alkayal2, B.R. Buckley2 and F. Iza1 1 Wolfson School of Mechanical, Electrical and Manufacturing Engineering  

2Department of Chemistry 

 Loughborough University, Loughborough LE11 3TU, United Kingdom 

[email protected]   

Atmospheric  CO2  concentration  have  been  increasing  from  280  ppm  since  the  beginning  of  the 

industrial revolution to 400 ppm in 2014 [1]. With high certainty, it can be said that it is this increase 

that  has  led  to  the  current  adverse  global  environmental  climate  changes, which  have  a  growing 

detrimental effect on our climate and environment, and that represent a severe threat to our current 

society and future generations in general. Therefore, the conversion of this main greenhouse gas into 

value‐added  chemicals  and  liquid  fuels  is  considered  as  one  of  the main  challenges  for  the  21st 

century. The aim is not only to tackle climate change, but also to provide an answer to our dependence 

on fossil fuels. 

By generating useful products out of CO2, we create the possibility to effectively close the carbon loop. 

This has already resulted in a booming interest in technologies that can convert CO2 into value‐added 

products, since they can effectively convert waste into new feedstocks following the cradle‐to‐cradle 

principle [2]. Besides the traditional  thermal CO2 conversion, a novel approach considered to have 

great potential in recent years, which is the approach based on plasma. From a chemical point of view, 

reduction of CO2 simply  requires an electron donor and  in principle, electrons can be provided by 

plasma. In this work, we have developed a DC plasma reactor to investigate the feasibility of plasma‐

driven electrochemical reduction of CO2 and demonstrated that carboxylation of both alkenes and 

alkynes are possible in a flow reactor operating at atmospheric pressure. 

The system utilises DC plasma  jets  that act as a source of electrons  to electrochemically drive  the 

carboxylation of alkenes present in a flowing solution saturated with CO2. Using Gas Chromatography 

Mass  Spectrometry  (GCMS),  we  show  that  CO2  is  selectively  incorporated  into  the  alkene  trans‐

stilbene  to  form  2,3‐diphenylpropanoic  acid.  The  efficacy  of  the  process  depends  on  the  plasma 

conditions and current efficiencies of up to 80% have been observed to date. 

[1]  R. K. Pachauri and L. A. Meyer, IPCC, 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Geneva, Switzerland, 2014. 

[2]  W. McDonough, M. Braungart, P. Anastas and J. Zimmerman, Environ. Sci. Technol., 2003, 37, 434A–441A. 

Page 38: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

Microwave emission due to kinetic instabilities in an over‐dense mirror‐

confined plasma  

M. Viktorov1, B. Eliasson2, S. Golubev1, D.C. Speirs2, D. Mansfeld1, A.D.R. Phelps2, R. 

Bingham2,3, A.W. Cross2, K. Ronald2 

1Institute of Applied Physics of Russian Academy of Sciences (IAP RAS), Nizhny Novgorod, 

603950, Russian Federation 

2Department of Physics, SUPA, University of Strathclyde, Glasgow, G4 0NG, United Kingdom 

3STFC Rutherford Appleton Laboratory, Harwell, Oxford, Didcot, OX11 0QX, United Kingdom 

[email protected]‐nnov.ru, [email protected] 

The kinetic  instabilities of a microwave plasma confined  in an open magnetic  trap are  relevant  to 

understanding various types of radio emission in space plasma, for example, in the magnetospheres 

of the Earth and the planets, the Sun, and certain types of stars. The high efficiency of the kinetic wave 

generation  mechanism  is  due  to  the  low  group  velocity  of  plasma  waves  (in  comparison  with 

electromagnetic waves), which ensures they enjoy an extended interaction time with nonequilibrium 

particles  resulting  in  a  high  integral  gain.  Emission  from  the  plasma  is  observed  due  to  various 

mechanisms for the transformation of plasma waves into electromagnetic waves, for example, as a 

result of scattering by thermal ions. In view of the universality of the physical mechanisms of radiation 

generation, essential aspects of natural systems can be reproduced in laboratory magnetic traps under 

controlled and reproducible conditions. Hitherto  the excitation of plasma waves  in open magnetic 

traps has been carried out with the use of electron beams. The technique reported here exploits a 

plasma generated by  irradiating a mirror confined plasma using mm‐waves  from a gyrotron under 

electron‐cyclotron  resonance  conditions,  a  technique  also  potentially  of  interest  for  technological 

applications. In such a discharge, a two‐component plasma is created with a dense cold (background) 

fraction  with  an  isotropic  particle  velocity  distribution  and  a  less  dense  high‐energy  fraction  of 

nonequilibrium electrons with an anisotropic distribution function.  In  these experiments, bursts of 

powerful electromagnetic radiation at a frequency close to the upper hybrid resonance and to the 

second harmonic of  the electron gyrofrequency were observed  for  the  first  time, accompanied by 

synchronous precipitation of fast electrons from the trap. The observed bursts were associated with 

the  instability  of  plasma waves  under  conditions  of  a  double  plasma  resonance, with  subsequent 

transformation of the plasma waves into electromagnetic waves. 

This  poster  focusses  on  a  theoretical  and  experimental  study  of  wave  generation  in  a  dense 

magnetoactive plasma at the harmonics of the electron gyrofrequency. In the experiments at the IAP 

RAS, a detailed study of the fine structure of dynamic spectra using ultra‐wideband oscilloscopes with 

a  bandwidth  of  up  to  59  GHz  is  reported.  Theoretical  and  numerical  analysis  at  relevant  plasma 

parameters is underway at the University of Strathclyde. Comparison of experimental and theoretical 

data will  lead  to  an  understanding  of  the mechanisms  of  electromagnetic  radiation  generation  in 

magnetic traps and the features of the radio emission spectra observed in natural conditions.  

The authors would like to acknowledge the funders of the research. In Russia the project is funded by 

the RFBR and К under project № 19‐52‐10007. In the UK the project is enabled by funding from the 

Royal Society, award IEC\R2\181158 and the UK EPSRC under grants EP/R034737/1, EP/R004773/1, 

EP/M009386/1, EP/G04239X/1. 

   

Page 39: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

 

Notes ________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

Page 40: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

 

Notes ________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

Page 41: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University

                    

 

Notes ________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

________________________________________________________________________________________________________ 

Page 42: 17th Technological Plasma Workshop · 12:00 – 12:20 Black Diamond as an antibacterial surface: interplay between chemical and mechanical bactericidal activity Paul May, University