Thesis - Tumb1.biblio.tu-muenchen.de - Technische Universität ...

wird, kann die Kapillarkondensation ein bei der Wasserdampfpermeation nicht zu
unterschätzender Mechanismus sein.
27 Permeation_______________________________________________________________Seite 2.3
In den defektfreien Bereichen der dünnen Schicht kommt es zur Festkörperdiffusion.
Am Beispiel für zwei im Verpackungsbereich typische Aufdampfschichten, kristallines
Aluminium (Al) und amorphes Siliziumoxid (SiOx), soll gezeigt werden, dass völlig
unterschiedliche Festkörperdiffusionsmechanismen auftreten. Im kristallinen
Aluminium existieren wegen der starken Metallbindung und einer deutlich geringeren
Zahl an Fehlstellen weniger freie Plätze als im amorphen Siliziumoxid. Eine geringere
Platzwechselwahrscheinlichkeit und somit Diffusionsrate ist die Folge. Die
vergleichsweise hohen Permeationsraten durch Siliziumoxidschichten sind dagegen
darauf zurückzuführen, dass solche Schichten eine mikroporöse Glasstruktur aufweisen
[81,82]. Der Stofftransport erfolgt daher durch das relativ offene Si-O Netzwerk. Auch
die Abhängigkeit der Permeationsrate vom Sauerstoffgehalt der Siliziumoxid-Schicht
(siehe beispielsweise [83]) kann so erklärt werden. Entsprechend ist für den
Stofftransport durch den Festkörper ein aktivierter Prozess, eine inverse
Schichtdickenabhängigkeit und eine direkte Partialdruckabhängigkeit zu erwarten. Der
Diffusionskoeffizient lässt sich entsprechend Gleichung (2-7) darstellen:
=
⋅ exp –------
⎝
⎛ RT⎠
⎞
(2-28)
Werte für schwanken für Raumtemperatur und SiOx amorphes zwischen und
Die Aktivierungsenergien schwanken entsprechend zwischen 1,27·10-19J
und 1,86·10-19J [79]. Für Aluminium konnten in der Literatur keine Daten für
Diffusionskoeffizienten bei niedrigen Temperaturen gefunden werden. Aufgrund der
höheren Ordnung kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die Diffusionsraten
noch unter den Werten für Siliziumoxid liegen.
DF D0 EA
10-18 DF
10-23 cm2/s.
Die Selektivität ist im Wesentlichen nur durch die Gas-Festkörper Wechselwirkung
festgelegt. Der Moleküldurchmesser spielt hier für typische kleine Moleküle, wie
Stickstoff oder Sauerstoff, nur eine untergeordnete Rolle. Für die in dieser Arbeit
untersuchten Aluminiumschichten auf Kunststoffsubstraten kann daher angenommen
werden, dass keine nennenswerte Permeation durch die Aluminiumkristallite auftritt.
Anders verhält es sich bei feinsten Defekten unterhalb 1 nm wie beispielsweise
Korngrenzen. Hier kommt es aufgrund der geringen Dimensionen zu einer starken
Überlagerung der Felder der Adsorptionskräfte. Die Diffusionsraten variieren im Fall
von feinsten Poren je nach Wechselwirkung zwischen Die
Aktivierungsenergien betragen maximal 8,0·10-19J.
10-14 10-5
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass bei dünnen Aluminiumschichten auf
Kunststoffsubstraten für die Beschreibung des Stofftransports die
Permeationseigenschaften des Kunststoffs die freie Diffusion durch makroskopische
und
cm2/s.