GENERATING A STRONG ELECTRIC FIELD IN A DIELECTRIC FILM ON A METAL SURFACE DURING INTERACTION WITH A PULSED PLASMA FLOW

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The paper considers the main physical processes that determine flows of charged particles onto a negative metal electrode immersed in a fully ionized isotropic plasma. Equations are found describing the charged particle motion in the plasma both near the metal electrode under a constant negative potential Ψ0 and far from it. The charged particle flows from the plasma to the electrode in the charge separation region near the electrode surface are calculated for large ratios of the electrode electric potential Ψ0 to the plasma electron temperature Te: eΨ0/Te ≫ 1. The ion and electron current densities from the plasma to the electrode are calculated. It is shown that, in the specific case of interaction of a negative titanium electrode with a natural oxide film about 10 nm thick with a pulsed plasma with a density ni = 1013 cm–3, as a result of charge transfer to the film surface by the ion flow from the plasma, electric voltages of about 6 V and a corresponding strong electric field of about 6 MV/cm arise inside the film over characteristic times of 5–8 µs. Such a strong electric field leads to electrical breakdown of the thin film and excitation of microplasma discharges on titanium. A reduction in the plasma density significantly reduces the probability of excitation of microplasma discharges on the surface of the metal electrode.

About the authors

V. A. Ivanov

Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Email: Viatcheslav-ivanov@yandex.ru
Moscow, Russian Federation

M. A. Tereshchenko

Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russian Federation

M. E. Konyzhev

Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russian Federation

T. I. Kamolova

Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russian Federation

A. A. Dorofeyuk

Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russian Federation

References

  1. De La Cal E., Gauthier E. // Plasma Phys. Controlled Fusion. 2005. V. 47. P. 197. https://doi.org/10.1088/0741-3335/47/2/001
  2. Kremeyer T., König R., Brezinsek S., Schmitz O., Feng Y., Winters V., Rudischhauser L., Buttenschön B., Brunner K.J., Drewelow P. et al. // Nuclear Fusion. 2022. V. 62. P. 036023. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ac4acb
  3. Plasma clean with high quality plasma cleaning and etching systems, https://www.plasmaetch.com
  4. Sun T., Blanchard P.-Y., and Mirkin M.V. // Analytical Chem. 2015. V. 87. P. 4092. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5b00488
  5. Bhat N.V., Upadhyay D.J. // J. Applied Polymer Sci. 2002. V. 86. P. 925. https://doi.org/10.1002/app.11024
  6. Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Иванов В.А., Коныжев М.Е. // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2009. № 5. С. 10. https://www.mashin.ru/files/trenie_05-09_1_48.pdf
  7. Иванов В.А., Коныжев М.Е., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Хренникова И.А. // Трение и износ. 2009. Т. 30. С. 396.
  8. Иванов В.А. // Успехи прикладной физики. 2022. Т. 10. С. 343. https://advance.orion-ir.ru/UPF-22/4/UPF-10-4-343_RU.pdf
  9. Ivanov V.A. // Plasma Phys. Reps. 2023. V. 49. P. 284. https://doi.org/10.1134/S1063780X22601365
  10. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М.: Наука, 2000. 424 с.
  11. Месяц Г.А. Эктоны. Часть 1. Екатеринбург: Наука, 1993.
  12. Сахаров А.С., Иванов В.А. // Успехи прикладной физики. 2016. Т. 4. С. 150. https://advance.orion-ir.ru/UPF-16/2/UPF-4-2-150.pdf
  13. Иванов В.А., Коныжев М.Е., Сахаров А.С. // Прикладная физика. 2006. № 6. С. 114. https://applphys.orion-ir.ru/appl-06/06-6/PF-06-6-114.pdf
  14. Иванов В.А. // Прикладная физика. 2001. № 2. С. 5.
  15. Ivanov V.A., Sakharov A.S., and Konyzhev M.E. // Plasma Phyics Reports. 2008. V. 34. P. 150. https://doi.org/10.1134/S1063780X08020074
  16. Ivanov V.A., Sakharov A.S., and Konyzhev M.E. // Proceed. the XXIII-rd Internat. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (Bucharest, Romania, September 15-19, 2008) V. 2. C. 575.
  17. Иванов В.А., Коныжев М.Е., Терещенко М.А., Дорофеюк А.А., Камолова Т.И., Сатунин С.Н. // Успехи прикладной физики. 2024. Т. 12. С. 109. https://advance.orion-ir.ru/UPF-24/2/UPF-12-2-109_RU.pdf
  18. Ivanov V.A., Konyzhev M.E., Tereshchenko M.A., Dorofeyuk A.A., Kamolova T.I., and Satunin S.N. // Plasma Phys. Reps. 2024. V. 50. P. 865. https://doi.org/10.1134/S1063780X24601056
  19. Иванов В.А., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Коныжев М.Е. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2008. № 3. С. 84.
  20. Иванов В.А., Коныжев М.Е., Сатунин С.Н., Дорофеюк А.А., Камолова Т.И., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г. // Прикладная физика. 2008. № 6. С. 62. https://applphys.orion-ir.ru/appl-08/08-6/PF-08-6-62.pdf
  21. Иванов В.А., Коныжев М.Е., Спирин А.А., Дорофеюк А.А., Камолова Т.И., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Залавутдинов Р.Х. // Прикладная физика. 2006. № 6. С. 97. https://applphys.orion-ir.ru/appl-06/06-6/PF-06-6-97.pdf
  22. Иванов В.А., Коныжев М.Е., Спирин А.А., Дорофеюк А.А., Камолова Т.И., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Залавутдинов Р.Х. // Прикладная физика. 2007. № 6. С. 60. https://applphys.orion-ir.ru/appl-07/07-6/PF-07-6-60.pdf
  23. Иванов В.А., Коныжев М.Е., Зимин А.М., Тройнов В.И., Камолова Т.И., Летунов А.А. // Прикладная физика. 2012. № 6. C. 133. https://applphys.orion-ir.ru/appl-12/12-6/PF-2012-6-133.pdf
  24. Ivanov V.A., Konyzhev M.E., Zimin A.M., Troinov V.I., Kamolova T.I., and Letunov A.A. // Plasma Phys. Reps. 2013. V. 39. P. 1114. https://doi.org/10.1134/S1063780X13070143
  25. Иванов В.А., Коныжев М.Е., Зимин А.М., Тройнов В.И., Камолова Т.И., Летунов А.А. // Прикладная физика. 2014. № 1. C. 21. https://applphys.orion-ir.ru/appl-14/14-1/PF-14-1-21.pdf
  26. Иванов В.А., Коныжев М.Е., Зимин А.М., Тройнов В.И., Камолова Т.И., Летунов А.А. // Успехи прикладной физики. 2014. Т. 2. С. 31. https://advance.orion-ir.ru/UPF-14/1/UPF-2-1-31.pdf
  27. Установка для напыления тонких металлических и диэлектрических пленок методом магнетронного распыления и электронно-лучевого испарения. https://www.lebedev.ru/ru/oborudovanie/technological/item/4-ustanovka-dlya-napyleniya-tonkikh-metallicheskikh-i-dielektricheskikh-plenok-metodom-magnetronnogo-raspyleniya-i-elektronno-luchevogo-ispareniya.html
  28. Puurunen R.L. // J. Applied Phys. 2005. V. 97. P. 121301. https://doi.org/10.1063/1.1940727
  29. Malygin A.A. // J. Industrial and Engineering Chem. (Seoul, Republic of Korea), 2006. V. 12. P. 1. https://doi.org/10.1002/chin.200646227
  30. Рембеза С.И., Рембеза Е.С., Свистова Т.В. Кошелева Н.Н. Синтез и свойства металлооксидных пленок: монография [Электронный ресурс]. Воронеж: ФГБОУ ВО “Воронежский государственный технический университет”, 2017. 177 с.
  31. Textor M., Sittig C., Frauchiger V., Tosatti S., and Brunette D.M. // Titanium in Medicine. Engineering Materials. Berlin, Heidelberg: Springer, 2001. P. 171. https://doi.org/10.1007/978-3-642-56486-4_7
  32. Sittig C., Textor M., Spencer N.D., Wieland M., and Vallotton P.H. // J. Materials Sci.: Materials in Medicine. 1999. V. 10. Р. 35. https://doi.org/10.1023/a:1008840026907
  33. Ivanov V.A., Konyzhev M.E., Kuksenova L.I., Lapteva V.G., Sakharov A.S., Dorofeyuk A.A., Kamolova T.I., Satunin S.N., and Letunov A.A. // Plasma Phys. Reps. 2011. V. 37. P. 1230. https://doi.org/10.1134/S1063780X11060109
  34. Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Алексеева М.С., Иванов В.А., Коныжев М.Е. // Современные технологии модифицирования поверхностей деталей машин / Ред. Москвитин Г.В. М.: ЛЕНАРД, 2013. С. 298.
  35. Иванов В.А., Коныжев М.Е., Дорофеюк А.А., Камолова Т.И., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Хренникова И.А. // Прикладная физика. 2014. № 6. C. 38. https://applphys.orion-ir.ru/appl-14/14-6/PF-14-6-38.pdf
  36. Димитрович Д.А., Бычков А.И., Иванов В.А. // Прикладная физика. 2009. № 2. С. 35. https://applphys.orion-ir.ru/appl-09/09-2/PF-09-2-35.pdf
  37. Биттенкорт Ж.А. Основы физики плазмы. М.: Физматлит, 2009. 584 с.
  38. Bohm D.I. // The Characteristics of the Electrical Discharges in Magnetic Fields / Eds. R. K. Guthrie, A. Wakerling. New York: McGraw-Hill, 1949. P. 77.
  39. Mott-Smith H.M., Langmuir I. // Phys. Rev. 1926. V. 28. P. 727. https://doi.org/10.1103/PhysRev.28.727
  40. Langmuir I. // Phys. Rev. 1929. V. 33. P. 954. https://doi.org/10.1103/PhysRev.33.954
  41. Chen F. // Plasma Diagnostic Techniques / Eds. R.H. Huddlstone, S.L. Leonard. New York–London: Academic Press, 1965.
  42. Троян П.Е., Каранский В.В. // Доклады ТУСУРа. 2017. Т. 20. С. 152. https://doi.org/10.21293/1818-0442-2017-20-3-152-154
  43. Троян П.Е. Электрическая формовка тонкопленочных структур металл–диэлектрик–металл в сильных электрических полях / П.Е. Троян, Ю.В. Сахаров. Томск: Изд. Том. гос. ун-та, 2013. 248 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).