ISSN 0351-9716
NASVETI
MERJENJE POROZNOSTI TANKIH PLASTI S HELIJEM
Miha ^ekada, Peter Panjan
Institut "Jo`ef Stefan", Jamova 39, 1000 Ljubljana
Trdna snov je porozna, kadar njen volumen ni v celoti zapolnjen z materialom, temve~ so vmes tudi prazni prostori. V tankih plasteh lahko poroznost razdelimo na tri skupine: (1) zaprta poroznost: praznine so izolirane in niso povezane med sabo; (2) odprta poroznost: praznine so povezane med sabo; (3) t. i. "pinholes": praznine se raztezajo ~ez celo plast. Najbolj preprosto se poroznost izra`a v manj{i gostoti glede na neporozen material (1).
V tankih plasteh ima poroznost ve~inoma neza`e-lene u~inke. Zaradi ve~je efektivne povr{ine je korozija hitrej{a, {e posebej pa jo pospe{i olaj{an transport reaktantov in produktov skozi pore. Porozen material se la`e kontaminira z ne~isto~ami, ki jih je nato te`je odstraniti kot iz neporoznega materiala. [e posebej neza`elena je poroznost na fazni meji podlaga/plast, ki ve~inoma mo~no poslab{a adhezijo, pove~a kontaktno upornost in zmanj{a toplotno prevodnost. V dolo~enih primerih uporabe pa je poroznost nujna, npr. pri senzorjih plinov, kjer potrebujemo veliko povr{ino, na kateri poteka reakcija, in kanale, po katerih potujejo molekule plinov.
Poroznost lahko direktno opazujemo pod presev-nim elektronskim mikroskopom. Navadno pa nas bolj kot pore same zanima poroznost materiala kot celote. Procentualno jo lahko dolo~imo iz gostote, vendar nam ta podatek ne pove, ali je poroznost odprta ali zaprta. Velika poroznost zaprtega tipa v splo{nem povzro~i bolj{o odpornost proti koroziji kot majhna poroznost odprtega tipa. Ve~ metod merjenja poroznosti zato temelji na primerjalnih preskusih odpornosti proti kemijskim vplivom: merjenje korozijskega potenciala, selektivno raztapljanje, kolorimetrija itd.
H,
H,0
anoda
elektrolit
katoda
Slika   1:   Shema   tankoplastne   gorivne   celice   s   trdnim elektrolitom. Katoda in anoda sta porozni.
VAKUUMIST 24/1–2 (2004)
Enostaven in zanesljiv na~in merjenja poroznosti pa je, da merimo prepustnost tanke plasti za pline. Meritev je omejena na take sisteme, kjer je tudi podlaga porozna. Kot zgled si oglejmo merjenje poroznosti tankoplasnega elektrolita za trdne gorivne celice. Sestavljene so iz porozne katode in anode, ki morata biti elektri~no prevodni in prepustni za pline, ter iz vmesnega elektrolita (slika 1). Le-ta mora biti ionski prevodnik, elektri~ni izolator in neprepusten za pline. Za elektrolit se najve~krat uporablja ZrO2, stabiliziran z Y2O3 (t. i. YSZ – yttria stabilized zirconia). Izka`e se, da je ena najve~jih te`av zagotovitev primerne tesnosti elektrolita, katerega zna~ilna debelina je le nekaj mikrometrov. Slika 2 prikazuje SEM-posnetek prereza sistema tanka neporozna plast elektorlita na porozni anodi. Vmesna, t. i. funkcionalna plast je pripravljena iz neporoznega anodnega materiala in je namenjena temu, da zagoto-
arVJ*
Slika 2: SEM-posnetek tankoplastne gorivne celice s trdim elektrolitom, pred (a) in po redukciji z vodikom (b). Porozni material je anoda, neporozna plast je elektrolit. Katoda {e ni nanesena.
k èrpalki
nadtlak
(p, = 50-200 mbar)
vpust helija tesnllka vzorec
analizni volumen (Pj^S-IO^mbar)
Slika 3: Shema helijevega merilnika poroznosti tankih plasti
53
ISSN 0351-9716
vimo primerno gladko podlago pred nanosom tanke plasti (2,3). Po redukciji v vodiku postane tudi funkcionalna plast porozna.
Merilni sistem je prikazan na sliki 3. Vzorec postavimo med dve evakuirani posodi. V eno spustimo helij in vzdr`ujemo stalen tlak velikostnega reda 100 mbar. Helij je izbran zaradi inertnosti in majhnega atomskega radija. Drugo posodo iz~rpamo na za~etni tlak (p2,0) velikostnega reda 10–3 mbar. Meritev za~nemo tako, da najprej prenehamo ~rpati spodnjo posodo oz. zapremo ventil pred ~rpalko. Tlak za~ne linerano nara{~ati s ~asom in je sorazmeren plo{~ini vzorca A in analiznega volumna V2. Prepustnost izra~unamo po ena~bi:
L=
(
p2 (t) - p2.0   V2
At
Rezultat je kvantitativna vrednost, ki nam pove intenzivnost prehajanja plina skozi merjeno tanko
plast. Za uporabnost dane tanke plasti, v tem primeru elektrolita, je treba le preveriti, ali vrednost L le`i pod zahtevano mejo. Za tankoplastne elektrolite trdnih gorivnih celic je zgornja meja L = 10–4 mbar L/(cm2 s). Metoda je podobna helijevi detekciji netesnosti, ki se v vakuumistiki pogosto uporablja. ^eprav so tak{ni merilni sistemi v prodaji v izdelani obliki, pa jo lahko brez ve~jih te`av tudi sami sestavimo.
LITERATURA
(PVD)
1D. M. Mattox, Handbook of Physical Vapor Deposition Processes, Noyes Publications, Westwood, 1998, 558–560
2B. Hobein, Herstellung von dünen Elektrolytschichten mittels Laser-ablation und Kathodenzerstäubung für Hochtemperatur-Brennstoffzellen, doktorska disertacija, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule, Aachen
3B. Hobein, F. Tietz, D. Stöver, M. ^ekada, P. Panjan, Journal of the European Ceramic Society 21 (2001) 1843-1846
54
VAKUUMIST 24/1–2 (2004)