JP2014154557A - プラズマ触媒化学反応装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】プラズマ触媒化学反応装置を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの電極であって、該少なくとも１つの電極は、該少なくとも１つの電極の少なくとも一部分に配置されたナノ多孔性誘電性層を備え、該ナノ多孔性誘電性層は、複数の細孔を備え、該複数の細孔のうちの少なくとも一部分は、内部に埋め込まれた触媒を備える、少なくとも１つの電極を備える、プラズマデバイス。上記触媒は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金、ニッケル、銅、コバルト、鉄、ならびに酸化物およびバイメタル、その組み合わせからなる群より選択され得る。
【選択図】図５

Description

（背景）
（技術分野）
本開示は、生物学的材料または他の材料の表面処理、除去または沈着のための、プラズマデバイスおよびプロセスに関する。より特定すると、本開示は、化学反応性の、プラズマにより発生される種を、プラズマデバイスにおいて、選択された成分に特異的な励起状態種（例えば、エネルギーを有する光子）と一緒に発生させて方向付けるための装置および方法に関する。
（関連技術の背景）
濃密媒体（例えば、大気圧またはその付近で液体および気体）中での電気放電は、適切な条件下で、プラズマ形成をもたらし得る。プラズマは、多量の化学種（例えば、イオン、ラジカル、電子、励起状態（例えば、準安定）種、分子フラグメント、および光子など）を生じさせる独特の能力を有する。プラズマ種は、プラズマ電子温度および電子密度を調整することによって、種々の内部エネルギー状態または外部運動エネルギー分布において、発生し得る。さらに、プラズマの空間特性、時間特性および温度特性を調節することによって、そのプラズマ種および付随する光子流により照射される材料に、特殊な変化が生じる。プラズマはまた、プラズマにより照射される生物学的材料および他の材料において、光化学反応経路および光触媒反応経路を開始させるために充分なエネルギーを有する光子（真空紫外光子が挙げられる）を発生させることが可能である。
本発明は、例えば、以下を提供する：
（項目１）
少なくとも１つの電極であって、該少なくとも１つの電極は、該少なくとも１つの電極の少なくとも一部分に配置されたナノ多孔性誘電性層を備え、該ナノ多孔性誘電性層は、複数の細孔を備え、該複数の細孔のうちの少なくとも一部分は、内部に埋め込まれた触媒を備える、少なくとも１つの電極
を備える、プラズマデバイス。
（項目２）
上記ナノ多孔性誘電性層は、酸化物、窒化物、天然酸化物および天然窒化物からなる群より選択される、上記項目に記載のプラズマデバイス。
（項目３）
金属合金が、アルミニウム合金およびチタン合金からなる群より選択される、上記項目のいずれかに記載のプラズマデバイス。
（項目４）
上記触媒は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金、ニッケル、銅、コバルト、鉄、ならびに酸化物およびバイメタル、その組み合わせからなる群より選択される、上記項目のいずれかに記載のプラズマデバイス。
（項目５）
実質的に円柱形の管状形状を有する外側電極であって、該外側電極を通る管腔を規定する、外側電極；および
該管腔内に同軸状に配置された内側電極であって、該内側電極は、実質的に円柱形の管状形状を有する、内側電極
をさらに備える、上記項目のいずれかに記載のプラズマデバイス。
（項目６）
少なくとも１つの電極を有するプラズマデバイスであって、該少なくとも１つの電極は、該少なくとも１つの電極の少なくとも一部分に配置されたナノ多孔性誘電性層を備え、該ナノ多孔性誘電性層は、複数の細孔を備え、該複数の細孔のうちの少なくとも一部分は、内部に埋め込まれた触媒を備える、プラズマデバイス；
該プラズマデバイスに接続されており、該プラズマデバイスに電離性媒体を供給するように構成された電離性媒体源；ならびに
内側電極および外側電極に接続されており、該プラズマデバイスにおいて該電離性媒体に点火してプラズマ流を形成するように構成された電源
を備える、プラズマシステム。
（項目７）
上記ナノ多孔性誘電性層は、酸化物、窒化物、天然酸化物および天然窒化物からなる群より選択される、上記項目のいずれかに記載のプラズマシステム。
（項目８）
金属合金が、アルミニウム合金およびチタン合金からなる群より選択される、上記項目のいずれかに記載のプラズマシステム。
（項目９）
上記触媒は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金、ニッケル、銅、コバルト、鉄、ならびに酸化物およびバイメタル、その組み合わせからなる群より選択される、上記項目のいずれかに記載のプラズマシステム。
（項目１０）
実質的に円柱形の管状形状を有する外側電極であって、該外側電極を通る管腔を規定する、外側電極；および
該管腔内に同軸状に配置された内側電極であって、該内側電極は、実質的に円柱形の管状形状を有する、内側電極
をさらに備える、上記項目のいずれかに記載のプラズマシステム。
（項目１１）
複数の細孔を備えるナノ多孔性誘電性層を、電極の少なくとも一部分に形成する工程；および
該複数の細孔のうちの少なくとも一部分に触媒を埋め込む工程
を包含する、方法。
（項目１２）
上記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、上記電極の少なくとも一部分を電解研磨することをさらに包含する、上記項目に記載の方法。
（項目１３）
上記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、上記電極の電解研磨された部分をアノード処理することによって、該電解研磨された部分に中間誘電性層を形成することをさらに包含する、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１４）
上記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、上記中間誘電性層を上記電解研磨された部分から除去して、上記電極上に複数の隆起部を形成することをさらに包含する、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１５）
上記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、上記複数の細孔を備える上記ナノ多孔性誘電性層を上記複数の隆起部上に形成することをさらに包含する、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１６）
上記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、上記複数の細孔の、上記複数の隆起部に接触する部分を除去することをさらに包含する、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１７）
上記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、上記複数の細孔を広げることをさらに包含する、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１８）
上記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、上記ナノ多孔性誘電性層を、上記触媒の塩の溶液に浸漬することをさらに包含する、上記項目のいずれかに記載の方法。
（摘要）
プラズマデバイスが開示される。このデバイスは、少なくとも１つの電極の少なくとも一部分に配置されたナノ多孔性誘電性層を備える少なくとも１つの電極を備え、このナノ多孔性誘電性層は、複数の細孔を備え、この複数の細孔のうちの少なくとも一部分は、内部に埋め込まれた触媒を備える。
プラズマは、産業、科学および医薬の必要性に対して、特に、低温での加工片表面加工に対して代替の解決策を提供する、広い応用性を有する。プラズマは、加工片に送達され得、これによって、そのプラズマが衝突する材料の特性に、複数の変化を起こし得る。プラズマは、放射線（例えば、紫外）、イオン、光子、電子、および他の励起状態（例えば、準安定）種の大きなフラックスを生じさせるという、独特の能力を有し、これらのフラックスは、高い空間選択性、材料選択性、および時間制御で、材料特性変化を行うために適切である。選択的プラズマはまた、加工片の異なる上層を除去し得るが、その加工片の別の下層に対しては影響をほとんどまたは全く有さず、あるいは特定の組織型を混合組織領域から選択的に除去するために、または異なる組織型の隣接器官に対する影響を最小にしながら組織を選択的に除去するため（例えば、細胞外マトリックスの除去）に、使用され得る。
独特の化学種の１つの適切な用途は、非平衡反応または選択的化学反応を加工片またはその内部で駆動して、１つの特定の型の材料のみの選択的除去に備えることである。このような選択的プロセスは特に、生物学的組織処理（例えば、混合組織または多層組織）において求められ、このプロセスは、下にある組織および隣接組織に対して異なる選択性を有して、組織を低温で切断および除去することを可能にする。これは、細胞外マトリックス、生体膜、脂肪と筋肉組織との混合物の除去、および表面層の挫滅組織切除のために特に有用である。
プラズマ種は、表面材料の気化、ガス化または溶解（例えば、気体および液体ベースのエッチング）により、化学結合を切断することによって、または表面に末端を有する種を置換することもしくは置き換えることによって（例えば、表面官能基化）、組織表面の化学的性質を変更することが可能である。適切な技術、材料の選択および条件を用いて、近くにある異なる型の組織に影響を与えることなく、１つの型の組織を完全に選択的に除去することができる。プラズマの条件およびパラメータ（Ｓ−パラメータ、Ｖ、Ｉ、およびΘなどが挙げられる）を制御することにより、特定のプラズマ種のセットの選択が可能になり、これにより次に、材料の除去または改変のために選択される化学経路の選択、および所望の組織型の除去の選択性の選択が可能になる。本開示は、広範な条件下（調整された幾何学形状、種々のプラズマフィードストック媒体、電極の数および位置、ならびに電気的励起パラメータ（例えば、電圧、電流、位相、周波数、パルス条件など）が挙げられる）でプラズマを発生させるためのシステムおよび方法を提供する。これらの条件は全て、プラズマ照射される加工片に対するプラズマの選択性に影響を与える。
プラズマ放電を点火して維持する電気エネルギーの供給は、電離性媒体および他のプラズマフィードストックに容量結合または誘導結合された、実質的に伝導性の電極を通して送達される。本開示はまた、プラズマ動作の所望の局面（例えば、より高い電子温度、フィードストックに対するより大きい触媒効果、およびより高い量の二次放出）を改善および増強する特殊な電極構造を利用する、方法および装置を提供する。具体的には、本開示は、制御された化学反応物質の放出と、触媒材料の保持との両方のための多孔性媒体を提供する。
プラズマは、加工片での反応を駆動する電子、ラジカル、準安定種および光子を含み、この加工片に送達される、エネルギーを有する電子を含む。プラズマの条件およびパラメータを制御することにより、特定の粒子のセットの選択が可能になり、これにより次に、材料の除去または改変のための化学経路の選択、および所望の組織型の除去の選択性の選択が可能になる。本開示はまた、大気圧またはその付近で作動する、プラズマを発生させるためのシステムおよび方法を提供する。これらのプラズマは、他のプラズマ種と協力して材料表面での反応を駆動する、電子を含む。材料表面に送達される電子は、種々のプロセス（結合の切断が挙げられる）を開始し得、これにより、その後の反応における気化が可能になる。電子により駆動される反応は、付随するフラックスと相乗作用して、単独で作用する反応のいずれよりも大きい材料除去速度を達成する。
本開示の１つの実施形態によれば、プラズマデバイスが開示される。このデバイスは、少なくとも１つの電極の少なくとも一部分に配置されたナノ多孔性誘電性層を備える少なくとも１つの電極を備え、このナノ多孔性誘電性層は、複数の細孔を備え、この複数の細孔のうちの少なくとも一部分は、内部に埋め込まれた触媒を備える。
上記実施形態の１つの局面によれば、誘電性層は、酸化物、窒化物、天然酸化物および天然窒化物からなる群より選択される。
上記実施形態の１つの局面によれば、金属合金は、アルミニウム合金およびチタン合金からなる群より選択される。
上記実施形態の１つの局面によれば、上記触媒は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金、ニッケル、銅、コバルト、鉄、ならびに酸化物およびバイメタル、その組み合わせからなる群より選択される。
上記実施形態の１つの局面によれば、上記プラズマデバイスは：実質的に円柱形の管状形状を有する外側電極であって、この外側電極を通る管腔を規定する、外側電極；およびこの管腔内に同軸状に配置された内側電極であって、実質的に円柱形の管状形状を有する、内側電極をさらに備える。
本開示の１つの実施形態によれば、プラズマシステムが開示される。このプラズマシステムは：少なくとも１つの電極を有するプラズマデバイスであって、この少なくとも１つの電極は、この少なくとも１つの電極の少なくとも一部分に配置されたナノ多孔性誘電性層を備え、このナノ多孔性誘電性層は、複数の細孔を備え、この複数の細孔のうちの少なくとも一部分は、内部に埋め込まれた触媒を備える、プラズマデバイス；このプラズマデバイスに接続されており、このプラズマデバイスに電離性媒体を供給するように構成された電離性媒体源；ならびに内側電極および外側電極に接続された電源であって、このプラズマデバイスにおいてこの電離性媒体に点火してプラズマ流を形成するように構成された電源を備える。
上記実施形態の１つの局面によれば、誘電性層は、酸化物、窒化物、天然酸化物および天然窒化物からなる群より選択される。
上記実施形態の１つの局面によれば、金属合金は、アルミニウム合金およびチタン合金からなる群より選択される。
上記実施形態の１つの局面によれば、上記触媒は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金、ニッケル、銅、コバルト、鉄、ならびに酸化物およびバイメタル、その組み合わせからなる群より選択される。
上記実施形態の１つの局面によれば、上記プラズマデバイスは：実質的に円柱形の管状形状を有する外側電極であって、この外側電極を通る管腔を規定する、外側電極；およびこの管腔内に同軸状に配置された内側電極であって、実質的に円柱形の管状形状を有する、内側電極をさらに備える。
本開示の１つの実施形態によれば、方法が開示される。この方法は：複数の細孔を備えるナノ多孔性誘電性層を電極の少なくとも一部分に形成する工程；およびこの複数の細孔のうちの少なくとも一部分に触媒を埋め込む工程を包含する。
上記実施形態の１つの局面によれば、このナノ多孔性誘電性層を形成する工程は、この電極の少なくとも一部分を電解研磨することをさらに包含する。
上記実施形態の１つの局面によれば、このナノ多孔性誘電性層を形成する工程は、この電極の電解研磨された部分をアノード処理することによって、この電解研磨された部分に中間誘電性層を形成することをさらに包含する。
上記実施形態の１つの局面によれば、このナノ多孔性誘電性層を形成する工程は、この中間誘電性層をこの電解研磨された部分から除去して、この電極上に複数の隆起部を形成することをさらに包含する。
上記実施形態の１つの局面によれば、このナノ多孔性誘電性層を形成する工程は、複数の細孔を備えるナノ多孔性誘電性層を複数の隆起部上に形成することをさらに包含する。
上記実施形態の１つの局面によれば、このナノ多孔性誘電性層を形成する工程は、複数の細孔の、複数の隆起部に接触する部分を除去することをさらに包含する。
上記実施形態の１つの局面によれば、このナノ多孔性誘電性層を形成する工程は、複数の細孔を広げることをさらに包含する。
上記実施形態の１つの局面によれば、このナノ多孔性誘電性層を形成する工程は、ナノ多孔性誘電性層を触媒の塩の溶液に浸漬することをさらに包含する。
添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成し、本開示の例示的な実施形態を図示し、そして上に与えられた本開示の一般的説明、および以下に与えられる実施形態の詳細な説明と一緒に、本開示の原理を説明する役に立つ。
図１は、本開示によるプラズマシステムの概略図である。 図２は、本開示によるプラズマデバイスの斜視断面斜視図である。 図３は、図２のプラズマデバイスの側面断面図である。 図４Ａ〜図４Ｄは、図２のプラズマデバイスの電極表面の一部分の拡大断面図である。 図４Ｅ〜図４Ｈは、図２のプラズマデバイスの電極表面の一部分の拡大断面図である。 図５は、図２のプラズマデバイスの電極上に多孔性コーティングを形成する方法を図示する流れ図を示す。 図６Ａは、本開示による触媒を埋め込まれた金属酸化物層の断面図の走査型電子顕微鏡画像である。 図６Ｂは、本開示による触媒を埋め込まれた金属酸化物層の上面図の走査型電子顕微鏡画像である。 図７は、本開示によりプラズマ処理された組織の断面図の写真である。 図８は、本開示によりプラズマ処理された組織の質量損失を図示する棒グラフである。 図９は、本開示による埋め込まれたニッケル触媒の存在下および非存在下でプラズマにより生成されたプラズマ種の放出スペクトルを図示する棒グラフである。
（詳細な説明）
プラズマは、直流（ＤＣ）電流または交流（ＡＣ）電流のいずれかとして、連続モードまたはパルス化モードのいずれかで、約０．１ヘルツ（Ｈｚ）から約１００ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数（無線周波数（「ＲＦ」、約０．１ＭＨｚ〜約１００ＭＨｚ）およびマイクロ波（「ＭＷ」、約０．１ＧＨｚ〜約１００ＧＨｚ）の帯域を含む）で、適切なジェネレータ、電極、およびアンテナを使用して送達される、電気エネルギーを使用して発生させられる。励起周波数、加工片、および回路に電気エネルギーを送達するために使用される電気回路の選択は、プラズマの多くの特性および要求に影響を与える。プラズマ化学発生の性能、気体または液体のフィードストック送達システム、および電気励起回路の設計は、相互に関係している。なぜなら、作動電圧、周波数および電流のレベル、ならびに位相の選択は、電子の温度と電子密度とに影響を与えるからである。さらに、電気励起およびプラズマデバイスハードウェアの選択もまた、ホストプラズマガスまたは液体媒体への新たな成分の導入に、所定のプラズマシステムがどのように動的に応答するかを決定する。電気駆動の（例えば、電圧、電流、または励起周波数に対する動的整合ネットワークまたは調節を介しての）対応する動的調節は、電気回路からプラズマへの制御された電力移動を維持するために使用され得る。
最初に図１を参照すると、プラズマシステム１０が開示されている。システム１０は、電源１４と、電離性媒体源１６と、前駆体または予備電離源１８とに接続された、プラズマデバイス１２を備える。電源１４は、電力または整合インピーダンスをプラズマデバイス１２に送達するための任意の適切な構成要素を備える。より具体的には、電源１４は、電力を生成して電離性媒体に点火して持続させ、プラズマ流３２を発生させることが可能な、任意の無線周波数ジェネレータまたは他の適切な電源であり得る。プラズマデバイス１２は、組織へのプラズマの印加のための電気外科ペンシルとして利用され得、そして電源１４は、デバイス１２に約０．１ＭＨｚ〜約２，４５０ＭＨｚ、別の実施形態においては約１ＭＨｚ〜約１６０ＭＨｚの周波数の電力を供給するように適合された、電気外科ジェネレータであり得る。プラズマはまた、連続的またはパルス化された直流（ＤＣ）電気エネルギー、連続的またはパルス化されたＲＦ電気エネルギー、あるいはこれらの組み合わせを使用することによって、点火され得る。
前駆体源１８は、デバイス１２への導入前に前駆体フィードストックをエアロゾル化するように構成された、通気瓶または噴霧器を備え得る。ある実施形態において、前駆体源１８はまた、約１フェムトリットル〜約１ナノリットルの体積の、前躯体フィードストックの予め決定された精製された液滴体積を発生させることが可能な、マイクロ液滴またはインジェクタシステムを備え得る。前駆体源１８はまた、微小流体デバイス、圧電ポンプ、または超音波気化器を備え得る。
システム１０は、デバイス１２を通って加工片「Ｗ」（例えば、組織）へのプラズマの流れを提供する。プラズマフィードストック（これは、電離性媒体および前駆体フィードストックを含む）は、それぞれ電離性媒体源１６および前駆体源１８によって、プラズマデバイス１２に供給される。作動中に、この前駆体フィードストックおよびこの電離性媒体は、プラズマデバイス１２に提供され、このプラズマデバイスで、プラズマフィードストックが点火されて、特定の励起種および準安定種由来のイオン、ラジカル、光子を含むプラズマ流３２を形成し、これらは、加工片「Ｗ」の内部またはその表面で所望の化学反応を駆動するための内部エネルギーを有する。これらのフィードストックは、図１に示され、以下により詳細に記載されるように、プラズマ流の点火点より上流またはその中間の位置で（例えば、点火点で）混合され得る。
電離性媒体源１６は、電離性フィードストック気体混合物をプラズマデバイス１２に提供する。電離性媒体源１６は、プラズマデバイス１２に接続されており、そして貯蔵タンクおよびポンプを備える（明示的には図示しない）。電離性媒体は、液体であっても気体であってもよく、例えば、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン、ラドン、二酸化炭素、窒素、水素、酸素など、およびこれらの混合物など、または液体であり得る。これらおよび他の気体は、最初は液体の形態であり得、これが、適用中にガス化される。
前駆体源１８は、前駆体フィードストックをプラズマデバイス１２に提供する。前駆体フィードストックは、固体、気体または液体のいずれの形態であってもよく、そして任意の状態（例えば、固体、液体（例えば、粒子、ナノ粒子または液滴）、気体、およびこれらの組み合わせ）の電離性媒体と混合され得る。前駆体源１８は、ヒータを備え得ることにより、この前駆体フィードストックが液体である場合、この前駆体フィードストックを、電離性媒体との混合前に加熱して気体状態にし得る。
１つの実施形態において、これらの前駆体は、電源１４からの電気エネルギーにより点火される場合、または電離性媒体１６から形成された粒子（電子、光子、もしくは制限された選択的化学反応性を有する他のエネルギー保有種）と衝突を起こす場合に、反応性種（例えば、イオン、電子、励起状態（例えば、準安定）種、および分子フラグメント（例えば、ラジカル）など）を形成することが可能な任意の化学種であり得る。より具体的には、これらの前駆体は、種々の反応性官能基を有する化合物（例えば、ハロゲン化アシル、アルコール、アルデヒド、アルカン、アルケン、アミド、アミン、ブチル、カルボン酸、シアネート、イソシアネート、エステル、エーテル、エチル、ハロゲン化物、ハロアルカン、ヒドロキシル、ケトン、メチル、ニトレート、ニトロ、ニトリル、ニトリト、ニトロソ、過酸化物、ヒドロペルオキシド、酸素、水素、窒素、およびこれらの組み合わせ）を含み得る。ある実施形態において、これらの化学前駆体は、水；ハロゲノアルカン（例えば、ジクロロメタン、トリクロロメタン、四塩化炭素、ジフルオロメタン、トリフルオロメタン、および四フッ化炭素など）；過酸化物（例えば、過酸化水素、アセトンペルオキシド、および過酸化ベンゾイルなど）；アルコール（例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール）；アルカリ性物質（例えば、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、アミン）；アルキル；ならびにアルケンなどであり得る。このような化学前駆体は、実質的に純粋な形態で、または混合された形態で、または可溶性形態で、適用され得る。
これらの前駆体およびその官能基、ならびにナノ粒子は、加工片「Ｗ」の表面種（例えば、分子）と反応するために、表面に送達され得る。換言すれば、これらの官能基は、加工片「Ｗ」に存在する化学表面末端を修飾するかまたは置き換えるために、使用され得る。これらの官能基は、それらの高い反応性、およびプラズマにより付与される反応性に起因して、これらの表面種と容易に反応する。さらに、これらの官能基はまた、プラズマ体積を加工片に送達する前に、このプラズマ体積内で反応する。
プラズマ中で生成されるいくつかの官能基は、その場で反応して物質を合成し得、この物質がその後、表面上に沈着物を形成し得る。この沈着物は、治癒を刺激するため、細菌を殺傷するため、および親水性または吸湿性を増大させて電極または他の組織への組織の固着を最小にするために使用され得る。さらに、特定の官能基の沈着はまた、予め決定された気／液拡散を達成する（例えば、気体の透過を可能にするが、液体の交換を防止する）ために、表面を結合させるかもしくは結合を刺激するために、または物理的な保護層として塗布するために、表面を封入することを可能にし得る。
電離性媒体源１６および前駆体源１８は、それぞれ配管１３ａおよび１３ｂを介して、プラズマデバイス１２に接続され得る。配管１３ａおよび１３ｂは、１つの配管に（例えば、Ｙ継手を介して）合わせられて、電離性媒体と前駆体フィードストックとの混合物をデバイス１２に、このデバイスの近位端で送達し得る。このことは、プラズマフィードストック（例えば、前駆体フィードストック、ナノ粒子および電離性気体）が、プラズマデバイス１２内でのこの混合物の点火前に同時に、プラズマデバイス１２に送達されることを可能にする。
別の実施形態において、電離性媒体源１６および前駆体源１８は、配管１３ａおよび１３ｂを介して別々の接続部でプラズマデバイス１２に接続され得、その結果、フィードストックの混合は、プラズマデバイス１２内で点火点より上流で起こる。換言すれば、これらのプラズマフィードストックは、点火点より近位（それぞれの源１６および１８とプラズマデバイス１２との間の任意の地点であり得る）で混合され、その後、プラズマフィードストックが点火されて、加工片「Ｗ」に対する各特定の表面処理のための、プラズマ流種のフラックス（例えば、粒子／ｃｍ２ｓｅｃ）の所望の混合物が生成される。
さらなる実施形態において、これらのプラズマフィードストックは、プラズマ流３２に直接入る流れの中間（例えば、点火点またはプラズマ流の下流）で混合され得る。より具体的には、配管１３ａおよび１３ｂは、デバイス１２に点火点で接続され得、その結果、前駆体フィードストックおよび電離性媒体は、これらが混合されると同時に点火される。電離性媒体は、点火点より近位でデバイス１２に供給され得、一方で、前駆体フィードストックは、この電離性媒体と点火点で混合されることもまた、想定される。
さらなる例示的な実施形態において、この電離性媒体は、混合されない状態で点火され得、そしてこれらの前駆体は、点火されたプラズマ流３２内に直接混合され得る。混合前に、これらのプラズマフィードストックは、個々に点火され得る。このプラズマフィードストックは、デバイス１２を通る媒体の流れを作製するために予め決定された圧力で供給され、この媒体の流れは、プラズマフィードストックの反応を補助してプラズマ流３２を生成する。本開示によるプラズマ流３２は、大気圧またはその付近で、通常の大気条件下で発生する。
図２および図３を参照すると、デバイス１２は、外側電極１２３内に同軸状に配置された内側電極１２２を備える。図２に示されるように、外側電極１２３は、実質的に円柱形の管状形状を有し、この外側電極を通る管腔１２５を有する。内側電極１２２は、実質的に円柱形の形状（例えば、棒形状）を有し、閉じた遠位部分１２４を有する。電極１２２および１２３は、プラズマの点火に適切な伝導性材料（例えば、金属および金属−セラミック複合材料）から形成され得る。１つの実施形態において、電極１２２および１２３は、天然の酸化物化合物または窒化物化合物が配置された、伝導性金属から形成され得る。
デバイス１２はまた、内側電極１２２と外側電極１２３との間に配置された電極スペーサ１２７を備える。電極スペーサ１２７は、内側電極１２２と外側電極１２３との間に任意の地点に配置されて、内側電極１２２と外側電極１２３との間の同軸の構成を提供し得る。電極スペーサ１２７は、中心開口部１４０（この中心開口部を通しての内側電極１２２の挿入のために適合されている）、および１つまたは１つより多くの流れ開口部１４２（中心開口部１４０の周囲に円周状に配置されており、電離性媒体および前駆体の流れがデバイス１２を通って流れることを可能にする）を備える。ある実施形態において、電極スペーサ１２７は、セラミックなどの誘電性材料から形成されて、内側電極１２２と外側電極１２３との間の容量結合を提供し得る。
電極スペーサ１２７は、電極１２２および１２３に摩擦ばめされて、内側電極１２２を外側電極１２３内に固定し得る。別の実施形態において、電極スペーサ１２７は、外側電極１２３に固定され得るが、内側電極１２２を覆ってスライド可能に配置される。この構成は、電極１２２と１２３との間の所望の空間的関係を達成するために、内側電極１２２の遠位部分１２４の、外側電極１２３に対する長手軸方向の調節を提供する（例えば、内側電極１２２の遠位部分１２４の露出を制御する）。
ある実施形態において、内側電極１２２の遠位部分１２４は、外側電極１２３の遠位端を超えて延び得る。別の実施形態において、内側電極１２２の遠位部分１２４は、管腔１２５内に引き込まれ得、その結果、遠位部分１２４は、外側電極１２３によって完全に囲まれる。さらなる実施形態において、内側電極１２２の遠位部分１２４は、外側電極１２３の遠位端と同一面内にあり得る。
電極１２２および１２３のうちの一方は、活性電極であり得、そして他方は、中性（例えば、無関係）または戻り電極であり得、絶縁変換器（図示せず）を通してのＲＦエネルギーカップリングを容易にし得る。この変換器は、ジェネレータ１４内に配置されており、加工片「Ｗ」との電気的絶縁を提供する。電極１２２および１２３の各々は、プラズマ発生を駆動する電源１４に接続されており、その結果、電源１４からのエネルギーは、デバイス１２を通って流れるプラズマフィードストックに点火するために使用され得る。より具体的には、電離性媒体および前駆体は、開口部１４２および管腔１２５を通って（例えば、電極スペーサ１２７および内側電極１２２と外側電極１２３との間を通って）、デバイス１２を通って流れる。電極１２２および１２３がエネルギーを与えられると、これらのプラズマフィードストックは点火されてプラズマ流３２を形成し、このプラズマ流が、デバイス１２の遠位端から加工片「Ｗ」上に放出される。
図３に示されるように、内側電極１２２および外側電極１２３は、絶縁材料または半導体材料から形成されたコーティング１５０を備え得、このコーティングは、内側の導体までのフィルム（例えば、原子層沈着物）として、または誘電性のスリーブもしくは層として、沈着される。このコーティングは、内側電極１２２の外側表面および外側電極１２３の内側表面に配置される。換言すれば、内側電極１２２および外側電極１２３の、管腔１２５に面する表面が、コーティング１５０を備える。１つの実施形態において、このコーティングは、内側電極１２２および外側電極１２３の表面全体（例えば、それぞれの外側表面および内側表面）を覆い得る。別の実施形態において、このコーティングは、電極１２２および１２３の一部分のみを覆い得る。
このコーティングは、ナノ多孔性の天然酸化物であり得るか、内側電極および外側電極を形成している金属の天然窒化物であり得るか、または沈着された層もしくはイオン注入によって形成された層であり得る。ある実施形態において、内側電極１２２および外側電極１２３は、アルミニウム合金から形成され、そしてこのコーティングは、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。別の例示的な実施形態において、内側電極１２２および外側電極１２３は、チタン合金から形成され、そしてこのコーティングは、酸化チタン（ＴｉＯ２）または窒化チタン（ＴｉＮ）である。ある実施形態において、このコーティングはまた、非天然の金属酸化物または金属窒化物（例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ２）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ））であってもよい。このコーティングはまた、組織の固着を減少させて、組織が電極に固着することを防止するために使用され得る。
内側電極１２２および外側電極１２３、ならびにコーティング１５０はまた、不均質な系として構成され得る。内側電極１２２および外側電極１２３は、任意の適切な電極基板材料（例えば、伝導性金属または半導体）から形成され得、そしてこのコーティングは、これらの電極に、種々のコーティングプロセスによって配置され得る。このコーティングは、内側電極１２２および外側電極１２３に、酸化環境への曝露、アノード処理、電気化学的プロセス、イオン注入、または沈着（例えば、スパッタリング、化学蒸着、原子層沈着など）によって形成され得る。
別の実施形態において、電極１２２および１２３上のコーティングは、各電極上で異なり得、そして別の目的を果たし得る。一方のコーティング１５０（例えば、電極１２２上）は、増大した二次電子放出を促進するように選択され得、一方で、他方の電極（例えば、電極１２３）上のコーティングは、特定の化学反応を促進するように（例えば、触媒として働くように）選択され得る。
ある実施形態において、このコーティングは、内側電極１２２と外側電極１２３との間の容量結合を提供する。得られる容量回路素子構造は、内側電極１２２および外側電極１２３の表面において、正味負のバイアス電位を提供し、この電位は、プラズマ流からのイオンおよび他の種を引き付ける。次いで、これらの種は、このコーティング１５０に衝撃を加え、そしてエネルギーを有する電子を放出する。
イオンおよび／または光子の衝撃に応答して、高い二次電子放出特性γを有する材料は、コーティング１５０を形成するために適切である。このような材料としては、絶縁体および／または半導体が挙げられる。これらの材料は、比較的高いγを有し、ここでγは、入射衝撃粒子１個あたりで放出される電子の数を表す。従って、金属は一般に、低いγ（例えば、０．１未満）を有し、一方で、絶縁材料および半導体材料（例えば、金属酸化物）は、高いγ（約１〜約１０、いくつかの絶縁体については、２０の値を超える）を有する。従って、コーティング１５０は、二次放出電子の源として働く。
二次電子放出γは、式（１）：
（１） γ＝Γｓｅｃｏｎｄａｒｙ／Γｉｏｎ
によって記載され得る。
式（１）において、γは、二次電子放出の収率または係数であり、Γｓｅｃｏｎｄａｒｙは、電子流量であり、そしてΓｉｏｎは、イオン流量である。二次放出は、イオンの衝突の衝撃が二次電子放出のために充分なエネルギーを有する場合、プラズマ種（例えば、イオン）のコーティング１５０への衝撃に起因して起こり、従ってγモードの放電を起こす。一般に、電子の発生が気体中（αモードの放電）ではなく電極表面で起こる場合に（すなわちγ＞１）、放電はγモードであるといわれる。換言すれば、コーティング１５０に衝突する各イオンごとに、所定数の二次電子が放出される。従って、γはまた、Γｓｅｃｏｎｄａｒｙ（例えば、電子流量）とΓｉｏｎ（例えば、イオン流量）との比と考えられ得る。
これらのイオンは、コーティング１５０の表面と衝突し、次に、二次電子放出がγ放電を起こすために十分なエネルギーを提供する。コーティング材料がγ放電を起こす能力は、数種のパラメータにより変わり、その最大の影響は、上で議論されたような、高いγを有する材料の選択に起因する。この特性は、コーティング１５０が、二次放出電子の源として、または選択された化学反応経路を増強するための触媒材料として、働くことを可能にする。
経時的に、コーティング１５０は、プラズマ動作中に薄くなり得るか、または除去され得る。コーティング１５０を二次放出電子の源を絶えず提供するために維持する目的で、コーティング１５０は、プラズマ動作中に絶えず補充され得る。このことは、内側電極１２２および外側電極１２３上の本来のコーティングを再生する種を追加することによって、達成され得る。１つの実施形態において、前駆体源１８は、酸化物または窒化物のコーティングを補充するために、酸素ガスまたは窒素ガスをデバイス１２に提供し得る。
二次電子放出は、シース層１３２および１３３を、それぞれ内側電極１２２および外側電極１２３の周囲に形成する。シース層１３２および１３３は、動作範囲Ｒ１およびＲ２を有し、これらの動作範囲は、内側電極１２２および外側電極１２３の周囲に位置する、エネルギーを有する電子のシース層１３２および１３３の厚さを表す。換言すれば、範囲Ｒ１およびＲ２は、気相での解離反応を駆動する、比較的高いエネルギーを有する電子の密度が大いに増大した領域を示す。電極１２２および／または１２３上のコーティング１５０は、エネルギーを有する二次電子の動作範囲Ｒ１およびＲ２を増大または増強し得る。具体的には、コーティング１５０の厚さの変化を使用して、動作範囲Ｒ１およびＲ２を調節し得る。ギャップ距離Δは、エネルギーを有する二次電子の濃度が比較的低いゾーンを示す。上で議論されたように電極をコーティングすることによって、ギャップ距離Δが減少する。いくつかの実施形態において、距離Δは０まで減少させられ得、そして／または動作範囲Ｒ１およびＲ２は重なり得、これによって、中空陰極効果を生じさせ得る。
シース層１３２および１３３の形成はまた、電離性媒体および前駆体の供給によって制御される。電離性媒体および前駆体は、コーティング１５０の表面からの二次放出中に放出される、エネルギーを有する電子に対して、比較的透過性であるように選択される。上記のように、プラズマは、大気圧で発生する。このような圧力で増大するエントロピーに起因して、発生する電子は、比較的短い時間および空間で多数の衝突を起こして、シース層１３２および１３３を形成する。
図４Ａ〜図４Ｈを参照すると、コーティング１５０はまた、ナノ構造を有する複数の細孔１６０を備え得、これらの細孔は、予め決定された（例えば、単方向の）様式または無作為な様式で配列され得、そしてこれらの細孔内に配置された、１種または１種より多くの触媒材料１６２（図４Ｈ）を含むように処理され得る。触媒材料１６２は、プラズマ流３２内での化学反応の開始に適切である。
図５は、図４Ａ〜４Ｇと合わせて、上面１４２を有する基板１４０（例えば、内側電極１２２および外側電極１２３の表面）にコーティング１５０を形成する方法を図示する。上で議論されたように、基板１４０は、伝導性金属（例えば、アルミニウムおよびチタンなど）から形成され得る。ステップ２００において、基板１４０は、図４Ａに示されるような粗い縁部を上面１４２から除去するために、任意の適切な技術（例えば、摩耗研磨）により研磨される。基板１４０はその後、電解研磨されて、図４Ｂに示されるように、ナノ規模のレベルで表面１４２を滑らかにされ得る。
１つの実施形態において、電解研磨は、基板１４０を、約１ｐＨ〜約７ｐＨ、ある実施形態においては、約１ｐＨ〜約４ｐＨのｐＨを有する酸性溶液に、約０℃〜約５０℃、ある実施形態においては、約０℃〜約５℃の温度で、約０．１分間〜約１００分間、ある実施形態においては、約０．１分間〜約１０分間の時間にわたって、約１Ｖ〜約３００Ｖ、ある実施形態においては、約１０Ｖ〜約３０ＶのＤＣ電圧をこの溶液に供給しながら、浸漬することによって達成され得る。この溶液は、水溶液であってもよく、溶媒としてアルコールが使用されてもよい。電解研磨のために適切な酸の例としては、過塩素酸、硝酸、硫酸、およびこれらの組み合わせが挙げられる。電解研磨のために適切なアルコールの例としては、エタノール、メタノール、２−プロパノール、およびこれらの組み合わせが挙げられる。
ステップ２０２において、研磨された基板１４０は、アノード処理される。この処理は、基板１４０を、約１ｐＨ〜約７ｐＨ、ある実施形態においては、約１ｐＨ〜約３ｐＨのｐＨを有する酸性溶液に、約０℃〜約１００℃、ある実施形態においては、約５℃〜約２０℃の温度で、約１分間〜約３，０００分間、ある実施形態においては、約１２０分間〜約３００分間の時間にわたって、約２Ｖ〜約５００Ｖ、ある実施形態においては、約２０Ｖ〜約５０Ｖの電圧をこの溶液に供給しながら、浸漬することによって達成され得る。アノード処理のために適切な酸の例としては、シュウ酸、クロム酸、硫酸、リン酸、スルホサリチル酸、およびこれらの組み合わせが挙げられる。アノード処理は、図４Ｃに示されるように、基板１４０の上面層を除去し、そして金属酸化物形成体１４４を上面１４２上に形成して、中間金属酸化物層を形成する。上面層の除去はまた、凹状の隆起部１４６を上面１４２に作製する。
ステップ２０４において、図４Ｄに示されるように、金属酸化物形成体１４４が除去され、その結果、隆起部１４６が露出する。このことは、基板１４０を、約１ｐＨ〜約７ｐＨ、ある実施形態においては、約１ｐＨ〜約３ｐＨのｐＨを有する酸性溶液に、約０℃〜約１００℃、ある実施形態においては、約４０℃〜約８０℃の温度で、約１分間〜約３０００分間、ある実施形態においては、約１２０分間〜約３００分間の時間にわたって、浸漬することによって達成され得る。固有の金属酸化物形成体１４４を除去するために適切な酸の例としては、シュウ酸、クロム酸、硫酸、リン酸、スルホサリチル酸、およびこれらの組み合わせが挙げられる。
ステップ２０６において、隆起部１４６を有する基板１４０は、２回目のアノード処理を行われる。これは、基板１４０を、約１ｐＨ〜約７ｐＨ、ある実施形態においては、約１ｐＨ〜約３ｐＨのｐＨを有する酸性溶液に、約０℃〜約１００℃、ある実施形態においては、約５℃〜約２０℃の温度で、約１分間〜約３０００分間、ある実施形態においては、約１２０分間〜約３００分間の時間にわたって、約１Ｖ〜約５０００Ｖ、ある実施形態においては、約２０Ｖ〜約５００Ｖの電圧をこの溶液に供給しながら、浸漬することによって達成され得る。２回目のアノード処理は、図４Ｅに示されるように、金属酸化物形成体１４４を再構築し、これらの再構築された金属酸化物形成体は、ステップ２０２において形成された形成体１４４（図４Ｃ）より均一である。
ステップ２０８において、図４Ｆに示されるように、細孔１４８が、金属酸化物形成体１４４の各々の中に形成される。換言すれば、金属酸化物形成体１４４の各々の、隆起部１４６に接触している底部の金属酸化物部分が除去され、その結果、隆起部１４６が露出する。これは、基板１４０を、約１ｐＨ〜約７ｐＨ、ある実施形態においては、約１ｐＨ〜約３ｐＨのｐＨを有する酸性溶液に、約０℃〜約１００℃、ある実施形態においては、約５℃〜約２０℃の温度で、約１分間〜約１０００分間、ある実施形態においては、約１２０分間〜約３００分間の時間にわたって、約２００Ｖ〜約５Ｖ、ある実施形態においては、約２０Ｖ〜約５０Ｖの電圧をこの溶液に供給しながら、浸漬することによって達成され得る。この細孔形成プロセスは、２回目のアノード処理（例えば、ステップ２０６）と同じ溶液中で、電圧を約５００Ｖから約１Ｖまで、ある実施形態においては、約５０Ｖから約５Ｖまで、約０．０１Ｖ／ｓ〜約２０Ｖ／ｓ、ある実施形態においては、約０．１Ｖ／ｓ〜約２Ｖ／ｓの速度で低下させながら、実施され得る。この電圧の低下により、金属酸化物形成体１４４の下部が除去されて、隆起部１４６の一部分が露出する。
ステップ２１０において、細孔１４８がその基部において、すなわち、金属酸化物形成体１４４が基板１４０の隆起部１４６に接触する地点で、広げられる。これは、基板１４０を、約１ｐＨ〜約７ｐＨ、ある実施形態においては、約１ｐＨ〜約３ｐＨのｐＨを有する酸性溶液に、約０℃〜約１００℃、ある実施形態においては、約２０℃〜約４０℃の温度で、約０分間〜約５００分間、ある実施形態においては、約３０分間〜約１２０分間の時間にわたって、浸漬することによって達成され得る。このプロセスは、細孔１４８の基部を広げて、図４Ｇに示されるような、逆きのこ形の形状を形成する。
ステップ２１２において、触媒材料１６２が、広げられた細孔１４８に埋め込まれる。基板１４０は、約４ｐＨ〜約１０ｐＨ、ある実施形態においては、約６ｐＨ〜約８ｐＨのｐＨを有する溶液に、約０℃〜約１００℃、ある実施形態においては、約２０℃〜約４０℃の温度で、約０．５分間〜約３００分間、ある実施形態においては、約１分間〜約６０分間の時間にわたって、約０．５Ｖ〜約１００Ｖ、ある実施形態においては、約５Ｖ〜約４０Ｖの電圧を、約５Ｈｚ〜約２０００Ｈｚ、ある実施形態においては、約５０Ｈｚ〜約２００Ｈｚの周波数でパルス化させてこの溶液に供給しながら、浸漬される。このプロセスにより、触媒材料１６２（すなわち、金属ニッケル）が、広げられた細孔１４８内に堆積する。触媒として働き得る適切な金属の例としては、貴金属（例えば、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金）；金属触媒（例えば、ニッケル、銅、コバルト、鉄）；金属酸化物触媒（例えば、酸化鉄、酸化ルテニウム）；光触媒（例えば、酸化チタン、銅−鉄を充填された酸化チタンおよび酸化ケイ素、共触媒である酸化ニッケルを含むタンタル酸ナトリウム）；バイメタル触媒（例えば、白金−ルテニウム、白金−金）；およびこれらの組み合わせが挙げられる。触媒材料１６２は、塩または有機化合物として提供され得、その例としては、金属ハロゲン化物（例えば、塩化ニッケル、塩化白金、およびこれらの組み合わせ）が挙げられる。
以下の実施例は、本開示の実施形態を説明するために与えられる。これらの実施例は、説明的であることのみを意図され、本開示の範囲を限定することは意図されない。また、割合および百分率は、他に示されない限り、重量基準である。本明細書中で使用される場合、「室温」とは、約２０℃〜約３０℃の温度をいう。
実施例１ − ナノ多孔性アルミナへの触媒の埋め込み
アルミニウムの管状基板を電解研磨して、その表面を滑らかにした。この基板を、過塩素酸（８５体積％）およびエタノールの酸性溶液（１：７の体積比）に、約５℃の温度で、約３分間にわたって、約２０Ｖ ＤＣの電圧をこの溶液に供給しながら浸漬させた。
次いで、この研磨した基板を、０．３Ｍのシュウ酸の酸性溶液に、約５℃の温度で約４時間にわたって、約４０Ｖの電圧をこの溶液に供給しながら浸漬することによって、この基板をアノード処理し、この基板上に金属酸化物層を形成した。次いで、この基板を酸性の８５重量％の酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）およびリン酸（Ｈ３ＰＯ４）の溶液に、約６０℃の温度で約３時間にわたって浸漬することによって、この金属酸化物層を除去して、その表面に隆起部を形成した。次いで、この基板を０．３Ｍのシュウ酸の酸性溶液に、約５℃の温度で約４時間にわたって、約４０Ｖの電圧をこの溶液に供給しながら浸漬することによって、この基板に２回目のアノード処理を行って、多孔性金属酸化物層を形成した。
この基板を、０．３Ｍのシュウ酸の酸性溶液に、約５℃の温度で約３００秒間にわたって、約１０Ｖの電圧をこの溶液に供給しながら浸漬することによって、この金属酸化物層内に細孔を形成した。この細孔形成プロセスを、２回目のアノード処理と同じ溶液中で、電圧を約４０Ｖから約１０Ｖまで、約−０．１Ｖ／ｓの速度で低下させながら行った。
次いで、基板１４０を５重量％のＨ３ＰＯ４の酸性溶液に、約６０℃の温度で約４０分間にわたって浸漬することによって、これらの細孔を広げた。次いで、この基板を、３００ｇ／ＬのＮｉＳＯ４・６Ｈ２Ｏの溶液に、約３５℃の温度で約３分間にわたって、約１８Ｖの電圧をおよそ１７０Ｈｚでパルス化させてこの溶液に供給しながら、浸漬することによって、ニッケルをこれらの細孔内に埋め込んだ。
図６Ａおよび図６Ｂは、基板の表面に埋め込まれた酸化ニッケル層の、走査型電子顕微鏡を使用して撮影した断面図および上面図を図示する。図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、ニッケルは、多孔性酸化物層の開口部に位置した。このことは、触媒作用を補助し、そしてアーク形成を防ぐ。
実施例２ − 組織の除去
図７は、酸化アルミニウムでコーティングされたアルミニウム電極を通して印加される場合のプラズマと、酸化アルミニウムでコーティングされて実施例１に議論されるように細孔内にニッケルが埋め込まれたアルミニウム電極を通して印加される場合のプラズマとの、エキソビボのニワトリ筋肉組織に対する影響を図示する。埋め込まれたニッケル触媒の存在は、２倍の深さの組織の除去をもたらした。除去された組織の相対的な質量損失を、図８の棒グラフにより図示する。埋め込まれたニッケル触媒の存在下で発生したプラズマはまた、２倍多くの質量除去をもたらした。
図９は、埋め込まれたニッケル触媒の存在下および非存在下でプラズマにより生成された、プラズマ種の放出スペクトルの比較棒グラフを図示する。埋め込まれたニッケル触媒の存在下で発生したプラズマは、２倍多くのヒドロキシルラジカルをもたらした。組織の除去の深さおよび質量の増大は、埋め込まれたニッケル触媒の存在に起因するヒドロキシルラジカルの生成の類似の増大に起因するかもしれない。
本開示の例示的な実施形態が、添付の図面を参照しながら本明細書中に記載されたが、本開示はこれらの正確な実施形態に限定されないこと、ならびに種々の他の変更および改変が、本開示の範囲または趣旨から逸脱することなく、本開示において当業者によりなされ得ることが、理解されるべきである。特に、上で議論されたように、このことは、プラズマ種の相対的な割合を、加工片表面またはその反応性プラズマの体積に対して望ましい特定のプロセスに関する要件に合うように、調整することを可能にする。
１０ プラズマシステム
１２ プラズマデバイス
１４ 電源
１６ 電離性媒体源
１８ 前駆体源
１２２ 内側電極
１２３ 外側電極

Claims (18)

  1. 少なくとも１つの電極であって、該少なくとも１つの電極は、該少なくとも１つの電極の少なくとも一部分に配置されたナノ多孔性誘電性層を備え、該ナノ多孔性誘電性層は、複数の細孔を備え、該複数の細孔のうちの少なくとも一部分は、内部に埋め込まれた触媒を備える、少なくとも１つの電極
    を備える、プラズマデバイス。
  2. 前記ナノ多孔性誘電性層は、酸化物、窒化物、天然酸化物および天然窒化物からなる群より選択される、請求項１に記載のプラズマデバイス。
  3. 金属合金が、アルミニウム合金およびチタン合金からなる群より選択される、請求項１に記載のプラズマデバイス。
  4. 前記触媒は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金、ニッケル、銅、コバルト、鉄、ならびに酸化物およびバイメタル、その組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載のプラズマデバイス。
  5. 実質的に円柱形の管状形状を有する外側電極であって、該外側電極を通る管腔を規定する、外側電極；および
    該管腔内に同軸状に配置された内側電極であって、該内側電極は、実質的に円柱形の管状形状を有する、内側電極
    をさらに備える、請求項１に記載のプラズマデバイス。
  6. 少なくとも１つの電極を有するプラズマデバイスであって、該少なくとも１つの電極は、該少なくとも１つの電極の少なくとも一部分に配置されたナノ多孔性誘電性層を備え、該ナノ多孔性誘電性層は、複数の細孔を備え、該複数の細孔のうちの少なくとも一部分は、内部に埋め込まれた触媒を備える、プラズマデバイス；
    該プラズマデバイスに接続されており、該プラズマデバイスに電離性媒体を供給するように構成された電離性媒体源；ならびに
    内側電極および外側電極に接続されており、該プラズマデバイスにおいて該電離性媒体に点火してプラズマ流を形成するように構成された電源
    を備える、プラズマシステム。
  7. 前記ナノ多孔性誘電性層は、酸化物、窒化物、天然酸化物および天然窒化物からなる群より選択される、請求項６に記載のプラズマシステム。
  8. 金属合金が、アルミニウム合金およびチタン合金からなる群より選択される、請求項６に記載のプラズマシステム。
  9. 前記触媒は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金、ニッケル、銅、コバルト、鉄、ならびに酸化物およびバイメタル、その組み合わせからなる群より選択される、請求項６に記載のプラズマシステム。
  10. 実質的に円柱形の管状形状を有する外側電極であって、該外側電極を通る管腔を規定する、外側電極；および
    該管腔内に同軸状に配置された内側電極であって、該内側電極は、実質的に円柱形の管状形状を有する、内側電極
    をさらに備える、請求項６に記載のプラズマシステム。
  11. 複数の細孔を備えるナノ多孔性誘電性層を、電極の少なくとも一部分に形成する工程；および
    該複数の細孔のうちの少なくとも一部分に触媒を埋め込む工程
    を包含する、方法。
  12. 前記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、前記電極の少なくとも一部分を電解研磨することをさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、前記電極の電解研磨された部分をアノード処理することによって、該電解研磨された部分に中間誘電性層を形成することをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、前記中間誘電性層を前記電解研磨された部分から除去して、前記電極上に複数の隆起部を形成することをさらに包含する、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、前記複数の細孔を備える前記ナノ多孔性誘電性層を前記複数の隆起部上に形成することをさらに包含する、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、前記複数の細孔の、前記複数の隆起部に接触する部分を除去することをさらに包含する、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、前記複数の細孔を広げることをさらに包含する、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記ナノ多孔性誘電性層を形成する工程が、前記ナノ多孔性誘電性層を、前記触媒の塩の溶液に浸漬することをさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011522381A (ja) * 2008-05-30 2011-07-28 コロラド ステート ユニバーシティ リサーチ ファンデーション プラズマに基づく化学源装置およびその使用方法
US9117636B2 (en) 2013-02-11 2015-08-25 Colorado State University Research Foundation Plasma catalyst chemical reaction apparatus
US10237962B2 (en) 2014-02-26 2019-03-19 Covidien Lp Variable frequency excitation plasma device for thermal and non-thermal tissue effects
US10828400B2 (en) 2014-06-10 2020-11-10 The Research Foundation For The State University Of New York Low temperature, nanostructured ceramic coatings
US9666415B2 (en) * 2015-02-11 2017-05-30 Ford Global Technologies, Llc Heated air plasma treatment
JP6542053B2 (ja) * 2015-07-15 2019-07-10 株式会社東芝 プラズマ電極構造、およびプラズマ誘起流発生装置
US10121655B2 (en) * 2015-11-20 2018-11-06 Applied Materials, Inc. Lateral plasma/radical source
WO2017153898A1 (en) * 2016-03-07 2017-09-14 King Abdullah University Of Science And Technology Non thermal plasma surface cleaner and method of use
EP3496515B1 (en) * 2016-08-02 2022-09-28 Feagle Co., Ltd Medical device including plasma supply device and plasma enhancement member
US10524849B2 (en) 2016-08-02 2020-01-07 Covidien Lp System and method for catheter-based plasma coagulation
SE540593C2 (en) * 2016-12-29 2018-10-02 Pure Bio Synergy Sweden Ab Electric discharge device and method for treatment of fluids
KR102031713B1 (ko) * 2019-01-29 2019-10-14 (주)에스제이글로벌 창상치료용 플라즈마 전극 패드 및 플라즈마 치료 장치
CN112439900A (zh) * 2019-08-30 2021-03-05 中国石油化工股份有限公司 一种铑金属纳米颗粒的制备方法
CN112717852B (zh) * 2020-12-31 2023-03-28 浙江华电器材检测研究所有限公司 低温等离子体催化反应定向调控的装置及方法
CN113929235B (zh) * 2021-11-09 2022-09-02 江苏永冠给排水设备有限公司 一种等离子体制备纳米颗粒去除电镀废水中六价铬的方法

Family Cites Families (59)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1340509A (fr) 1962-11-27 1963-10-18 Siemens Reiniger Werke Ag Dispositif de sécurité pour appareils de chirurgie à haute fréquence
US3434476A (en) 1966-04-07 1969-03-25 Robert F Shaw Plasma arc scalpel
US3492074A (en) 1967-11-24 1970-01-27 Hewlett Packard Co Atomic absorption spectroscopy system having sample dissociation energy control
US3687832A (en) 1970-11-23 1972-08-29 Surface Activation Corp Production of improved polymeric materials using electrical gas discharges
US4188426A (en) 1977-12-12 1980-02-12 Lord Corporation Cold plasma modification of organic and inorganic surfaces
US4517495A (en) 1982-09-21 1985-05-14 Piepmeier Edward H Multi-electrode plasma source
US4699082A (en) 1983-02-25 1987-10-13 Liburdi Engineering Limited Apparatus for chemical vapor deposition
JPS61159953A (ja) 1985-01-08 1986-07-19 オリンパス光学工業株式会社 前立腺切除装置
US4781175A (en) 1986-04-08 1988-11-01 C. R. Bard, Inc. Electrosurgical conductive gas stream technique of achieving improved eschar for coagulation
CH670171A5 (ja) 1986-07-22 1989-05-12 Bbc Brown Boveri & Cie
SU1438745A1 (ru) 1986-12-24 1988-11-23 Всесоюзный научно-исследовательский и испытательный институт медицинской техники Ультразвуковой хирургический инструмент
CH677292A5 (ja) 1989-02-27 1991-04-30 Asea Brown Boveri
US5041110A (en) 1989-07-10 1991-08-20 Beacon Laboratories, Inc. Cart for mobilizing and interfacing use of an electrosurgical generator and inert gas supply
DE59105798D1 (de) 1991-04-15 1995-07-27 Heraeus Noblelight Gmbh Bestrahlungseinrichtung.
DE4139029C2 (de) 1991-11-27 1996-05-23 Erbe Elektromedizin Einrichtung zur Koagulation biologischer Gewebe
DE9117299U1 (de) 1991-11-27 2000-03-23 Erbe Elektromedizin Einrichtung zur Koagulation biologischer Gewebe
DE9117019U1 (de) 1991-11-27 1995-03-09 Erbe Elektromedizin GmbH, 72072 Tübingen Einrichtung zur Koagulation biologischer Gewebe
JPH06196419A (ja) 1992-12-24 1994-07-15 Canon Inc 化学気相堆積装置及びそれによる半導体装置の製造方法
US5466424A (en) 1992-12-28 1995-11-14 Bridgestone Corporation Corona discharge surface treating method
DE4326037C2 (de) 1993-08-03 1997-01-16 Dieter C Dr Med Goebel Lasereinrichtung
US5780862A (en) 1994-01-11 1998-07-14 Siess; Harold E. Method and apparatus for generating ions
DE19524645C2 (de) 1995-07-06 2002-11-28 Soering Gmbh Sicherheitsgasanlage für die HF-Chirurgie
DE19537897A1 (de) 1995-09-19 1997-03-20 Erbe Elektromedizin Multifunktionales chirurgisches Instrument
DE29724247U1 (de) 1997-03-20 2000-08-03 Erbe Elektromedizin Einrichtung zur Koagulation biologischer Gewebe
US5866871A (en) 1997-04-28 1999-02-02 Birx; Daniel Plasma gun and methods for the use thereof
US6172324B1 (en) 1997-04-28 2001-01-09 Science Research Laboratory, Inc. Plasma focus radiation source
US5869832A (en) 1997-10-14 1999-02-09 University Of Washington Device and method for forming ions
US5945790A (en) 1997-11-17 1999-08-31 Schaefer; Raymond B. Surface discharge lamp
DE19820240C2 (de) 1998-05-06 2002-07-11 Erbe Elektromedizin Elektrochirurgisches Instrument
US6265033B1 (en) 1998-09-11 2001-07-24 Donald Bennett Hilliard Method for optically coupled vapor deposition
DE19844725A1 (de) 1998-09-29 2000-03-30 Patent Treuhand Ges Fuer Elektrische Gluehlampen Mbh Gasentladungslampe mit steuerbarer Leuchtlänge
DE19848784C2 (de) 1998-10-22 2003-05-08 Erbe Elektromedizin Sonde
US6376972B1 (en) 1998-11-19 2002-04-23 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Powerful glow discharge excilamp
US6153852A (en) 1999-02-12 2000-11-28 Thermal Conversion Corp Use of a chemically reactive plasma for thermal-chemical processes
JP3264898B2 (ja) 1999-02-25 2002-03-11 大村 智 液状、泥状物の殺菌用紫外線照射装置
CN2391565Y (zh) 1999-10-20 2000-08-16 赵学良 自消烟电离子手术机
US7300436B2 (en) 2000-02-22 2007-11-27 Rhytec Limited Tissue resurfacing
EP1288174A4 (en) 2000-04-28 2005-06-08 Asahi Glass Co Ltd GLASS COATED GLASS AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF WITH A HEAT-FINISHING, COLORED FILM
KR20020077439A (ko) 2000-12-14 2002-10-11 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. 액정 디스플레이 라미네이트와 그 제조방법
CN1966106A (zh) 2001-03-02 2007-05-23 帕洛玛医疗技术公司 用于光照美容和光照皮肤病治疗的设备和方法
US7258899B1 (en) 2001-12-13 2007-08-21 Amt Holdings, Inc. Process for preparing metal coatings from liquid solutions utilizing cold plasma
WO2004053205A2 (en) * 2002-07-22 2004-06-24 Massachusetts Institute Of Technolgoy Porous material formation by chemical vapor deposition onto colloidal crystal templates
KR100530765B1 (ko) * 2002-10-04 2005-11-23 이규왕 나노 다공성 유전체를 이용한 플라즈마 발생장치
US8075732B2 (en) 2004-11-01 2011-12-13 Cymer, Inc. EUV collector debris management
US7608839B2 (en) 2005-08-05 2009-10-27 Mcgill University Plasma source and applications thereof
US7511281B2 (en) 2005-08-31 2009-03-31 Ultraviolet Sciences, Inc. Ultraviolet light treatment chamber
US20070254491A1 (en) * 2006-04-29 2007-11-01 Applied Materials, Inc. Protective layer for a low k dielectric film and methods of forming the same
US7914692B2 (en) 2006-08-29 2011-03-29 Ngk Insulators, Ltd. Methods of generating plasma, of etching an organic material film, of generating minus ions, of oxidation and nitriding
CN102006831B (zh) 2007-12-20 2014-06-11 君特·菲林 用于等离子外科手术方法的等离子体施加器
US8994270B2 (en) * 2008-05-30 2015-03-31 Colorado State University Research Foundation System and methods for plasma application
WO2009146439A1 (en) * 2008-05-30 2009-12-03 Colorado State University Research Foundation System, method and apparatus for generating plasma
KR101158800B1 (ko) 2008-11-14 2012-06-26 주식회사 피에스엠 의료용 플라즈마 건
JP2010242857A (ja) 2009-04-06 2010-10-28 Toyota Motor Corp 摩擦損失の低減を求めて噛合い位置を変位させる歯車伝動装置
US8083737B2 (en) 2009-08-26 2011-12-27 Tyco Healthcare Group Lp Gas-enhanced surgical instrument with mechanism for cylinder puncture
US20140224643A1 (en) 2013-02-11 2014-08-14 Colorado State University Research Foundation Homogenous plasma chemical reaction device
US9117636B2 (en) 2013-02-11 2015-08-25 Colorado State University Research Foundation Plasma catalyst chemical reaction apparatus
US9269544B2 (en) 2013-02-11 2016-02-23 Colorado State University Research Foundation System and method for treatment of biofilms
US20140228833A1 (en) 2013-02-12 2014-08-14 Covidien Lp System and method for hybrid polarized/non-polarized plasma beam coagulation for variable tissue effects
US9532826B2 (en) 2013-03-06 2017-01-03 Covidien Lp System and method for sinus surgery

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