生长动力学对多孔薄膜中溶质扩散的影响

为开发具有改进传输性能的多孔材料，一个关键缺失的要素是确定生长动力学、结构和传输参数之间的关系。在此，我们通过研究具有受控厚度和孔隙率的三维多孔薄膜中的溶质扩散来解决这些关系，这些薄膜由简单的沉积模型生成。我们模拟了具有竞争性聚集规则的生长薄膜，该规则包含侧向聚集（相对速率正比于 $p$），从而形成孔隙；以及表面弛豫 ($1-p$)，有利于致密化。通过在薄膜底部连接溶质源并在顶部外表面连接排漏，我们从稳态模拟中提取了有效扩散系数。我们发现，对于给定的薄膜厚度，$p$ 越大，有效孔隙率和扩散率越大，但曲折度越小。保持生长条件不变（即相同的 $p$），厚度的增加总是导致有效孔隙率增加，但扩散率出现了非平凡行为：对于 $p\leq 0.7$，较厚薄膜中的扩散系数更大；这伴随着曲折度随厚度减小，从而表明生长持续改善用于扩散的孔隙结构。微观上，这一结果与薄膜较高点处局部溶质流分布较窄有关。特别是对于 $p\geq 0.9$，此时薄膜孔隙率约为 $0.65-0.7$，曲折度在 $1.3$ 和 $2$ 之间，随厚度增加而增大，且最大变化接近 $25$。我们在最厚薄膜中获得的孔隙率和曲折度值对，与一些多孔电极中实验测量的结果一致。值得注意的是，薄膜厚度的增加通常有利于其孔隙中的扩散，而例外情况仅有微小的曲折度损失。