Hochratesynthese von Hartstoffschichten auf Siliciumbasis - Qucosa ...

2. Stand der Forschung
41
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Verarmung an MgO Monomeren bewirkt die rasche Bildung von MgO aus gasförmigem Mg
und O, die wiederum auf den entstandenen Partikeln kondensieren. Darüber hinaus koagulieren
stabile Partikel. Obwohl die ermittelte Temperatur, bei der Partikel kondensieren, nur
ca. 72% der Schmelztemperatur von MgO beträgt, geht das Modell von kreisrunden Schmelztropfen
aus. Da die ermittelte kritische Keimgröße ca. 10 bis 20 MgO Monomere beträgt, ist
diese Annahme sinnvoll, denn für extrem kleine Partikel sind geringere Schmelztemperaturen
als für makroskopisches Material zu erwarten. Da sowohl kreisrunde als auch facettenreiche
Partikel in experimentellen Arbeiten synthetisiert werden, muss davon ausgegangen werden,
dass die Annahme nur teilweise zutrifft.
Sowohl hohe Abkühlgeschwindigkeiten als auch geringe Konzentrationen der Ausgangsstoffe,
begünstigen in Folge einer hohen Übersättigung bei einsetzender Partikelkondensation
das Bilden vieler, kleiner Partikel. Unter der Voraussetzung, dass die Reaktionskinetik nicht
um mehr als eine Größenordnung zu hoch eingeschätzt wurde, ist der Einfluss auf die resultierende
Partikelgröße gering. Erst bei um zwei Größenordnungen geringeren Reaktionsgeschwindigkeiten
wirkt sich die Reaktionskinetik in einer wesentlichen Abnahme des
resultierenden Partikeldurchmessers aus, da ein relativ hoher Anteil des Magnesiums in der
Dampfphase nicht zu MgO reagiert und das Modell keine Kondensation von Mg auf der Partikeloberfläche
bei nachträglicher Oxidation berücksichtigt. Die große spezifische Oberfläche
der Partikel stellt die Oxidation kondensierenden Magnesiums geradezu sicher, so dass bei
deutlich verlangsamter Reaktionskinetik dieser Mechanismus einbezogen werden müsste.
Reale Plasmasyntheseprozesse können auf Grund von Wärmeverlusten an den Kammerwänden
und den daraus resultierenden radialen Temperaturgradienten nicht eindimensional
mit konstanter Abkühlrate betrachtet werden. Für präzisere Modelle muss die Temperaturfunktion
entlang der Trajektorien der Monomere bekannt sein. Die im Folgenden entwickelten
Modelle von Bilodeau et al. [Bil92] und Girshick et al. [Gir93c] sind zweidimensional und
berücksichtigen auch die radiale Bewegung der Monomere in Folge von Thermophorese und
konzentrationsgradientenbedingter Diffusion. Bilodeau et al. berücksichtigen Koagulationsprozesse
nur bis zum Erreichen der Schmelztemperatur des zu synthetisierenden Stoffes,
wobei keine Abhängigkeit vom Partikeldurchmesser einbezogen wird. Somit ist die Annahme
kreisrunder Partikel sinnvoll. Allerdings wird in beiden Modellen der Kelvin Effekt, der die
Abhängigkeit des Dampfdrucks vom Partikeldurchmesser beschreibt, vernachlässigt. Statt
dessen wird für die spezifische Oberflächenenergie der Partikel die Oberflächenspannung der
flachen Flüssigkeit mit ihrem Dampf eingesetzt. Da der Gleichgewichtsdampfdruck über der
Oberfläche kleiner Partikel höher ist als über einer ebenen Fläche, wirkt sich diese Annahme