Diagnostics and applications of atmospheric pressure microwave plasma

Mgr. Miroslav Šnírer, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá experimentálním studiem a aplikacemi mikrovlnného pochodňového výboje za atmosférického tlaku. Byla studována dvě obecná témata -- (I) struktura a samoorganizace zúženého multifilamentárního plazmatu v argonu a (II) aplikace výboje pro syntézu grafenu v argonu z prekurzorů obsahujících uhlík. Struktura plazmatu a jeho vlastnosti byly zkoumány především pomocí optické emisní spektroskopie a digitálního zobrazování. Byla pozorována a klasifikována stabilní stacionární multifilamentní struktura. Filamenty vykazovaly vlastnosti podobné výbojům buzeným povrchovou vlnou. Byla diskutována role skin efektu při štěpení filamentů. Přidání prekurzoru (etanolu) vedlo k přeměně filamentárního výboje na typickou strukturu plazmatu podobnou plameni. Byly klasifikovány oblasti s různými vlastnostmi a rolemi v procesu syntézy. Inverzní Abelova transformace optických dat odhalila dutou strukturu plazmatu. Byla provedena parametrická studie dynamiky proudění plynu (průtok centrální, průtok boční, mikrovlnný výkon), která identifikovala ideální a opakovatelné experimentální podmínky pro syntézu grafenu. Vliv teploty plynu a složení prekurzoru byl studován pomocí hmotnostní spektroskopie a infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací. Byly identifikovány dva hlavní reakční kanály s různými konečnými produkty syntézy v plynné fázi. Předkládaná práce má formu komentáře k autorovým recenzovaným publikacím.

Abstract:

This doctoral dissertation is dedicated to an experimental study of the atmospheric pressure microwave plasma torch and its applications. Two general topics were studied -- (i) self-organised constricted multifilamentary plasma structure in argon and (ii) discharge application for graphene synthesis in argon with carbon containing precursors. The structure of the plasma and its properties were investigated mainly by means of optical emission spectroscopy and digital imaging. A stable stationary multifilament structure was observed and classified. The filaments exhibited properties of surface wave discharges. The role of the skin effect in filament splitting was discussed. The addition of a precursor (ethanol) led to a transformation of the filamentary discharge into a typical plasma flame-like structure. Regions with different properties and roles in the synthesis process were classified. The inverse Abel transformation of the optical data revealed a hollow plasma structure. A parametric study of the gas flow dynamics between two concentric gas channels and microwave power was performed, which identified ideal and repeatable experimental conditions for graphene synthesis. The role of the gas temperature and precursor composition was studied by mass spectroscopy and Fourier transform infrared spectroscopy. Two main reaction routes were identified, with different final products of gas-phase synthesis. The presented work is in the form of a commentary on the author's published peer-reviewed publications.

Keywords

povrchová vlna, filamentace, mikrovlnný pochodňový výboj, grafén, diagnostika plazmatu, plazmová syntéza, struktura plazmatu, surface wave, filamentation, microwave plasma torch, graphene, plasma diagnostics, plasma synthesis, plasma structure

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 4. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 13. 6. 2022
• Supervisor: prof. Mgr. Vít Kudrle, Ph.D.
• Reader: Ph.D. Evgenia Benova, doc. RNDr. Vítězslav Straňák, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Plasma Physics