YSZ/STO/YSZ-STO超晶格电解质薄膜低温电学特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)内蒙古大学物理科学与技术学院 作者:康振锋

  采用脉冲激光沉积法,在单侧抛光的STO基底上制备YSZ/STO/YSZ 超晶格薄膜。利用X 射线衍射、扫描电镜和射频阻抗/材料分析仪对多层膜的物相结构、表面形貌以及电学特性等进行表征。实验结果发现,YSZ/STO/YSZ 超晶格薄膜在300 ~500℃之间,其电导活化能最小值为0.76 eV,在300℃时测得的电导率比体材料的电导率提高了三个数量级。

  固体氧化物燃料电池( SOFC) 作为一种高效清洁的能源转化装置,可以将燃料燃烧的化学能直接转化为电能。由于其高效、低污染等诸多优点正日益受到广泛重视。决定SOFC性能的最主要因素是电解质材料离子电导率的大小,目前在SOFC中应用最普遍是钇稳定氧化锆(YSZ) 电解质。YSZ 在高温(≥900℃) 下有良好的离子电导性和化学稳定性以及优异的机械性能。

  因此SOFC 须在高温(900 ~1000℃) 下运行。如此高的工作温度,导致电极材料的选择范围受到了限制,并且大大降低了SOFC的使用寿命和电池材料的稳定性。如果将电池的工作温度降至600 ~800℃( 所谓中温) ,或者更低温度300 ~500℃(低温) ,或者室温,就可避免电池组件间的相互作用及电极的烧结退化,电池寿命也可望延长几十倍,可以大大提高电池的效率和降低生产成本。

  降低SOFC的工作温度的方法大多采用薄膜技术,将YSZ膜厚度降低为10 ~100 μm,在500 ~700℃的中温范围内工作。2006 年,Joo 等报道了YSZ 薄膜电解质可提高电导率,Bailly 等通过静电喷涂沉积法获得500 nm 厚的YSZ 薄膜电解质,其电导率低于体材料的电导率,Garbayo 等研究了YSZ薄膜电解质与无支撑结构的YSZ厚膜相比,其电导率增加了一个数量级。

  本文中,在单侧抛光的SrTiO3(STO) 单晶衬底上制备总厚度为600nm 的萤石结构和钙钛矿结构交迭两个周期形成三层YSZ/STO/YSZ 超晶格电解质薄膜,这是一种新型的电解质,由于交迭层晶格失配导致超晶格界面区存在大量氧离子空位,从而形成更多氧离子通过的开放通道,而不必由一个原子传送给另一个原子,以期这类超晶格电解质材料在低温下具有更好的离子导电性。

  1、实验

  采用中科院沈阳科学仪器厂生产的PLD-450型脉冲激光溅射仪,腔室内装有四个独立靶位,激光器为美国相干公司(Coherent Inc. ) 生产的COMPexPro201型脉冲准分子激光器,溅射靶材采用高纯YSZ( 0.08Y2O3:0.92ZrO2) 靶材和STO 靶材(纯度为99.99%) 。将YSZ 靶材、STO靶材和STO衬底固定在相应样品架上,衬底和YSZ靶材距离为5 cm,激光器工作模式为恒压26 kV,激光能量在650 ~690 mJ,频率为5 Hz。在STO衬底上交替烧蚀YSZ靶材和STO靶材形成YSZ/STO/YSZ超晶格电解质薄膜,沉积温度分别为400,500,600 和700℃,溅射次数分别为104次,烧蚀前需除去靶材表面氧化层和其它杂质,然后打开挡板溅射,通过调节激光的能量以及脉冲次数来控制薄膜的厚度,通过调整高纯Ar 和O2气体流量比来达到所需溅射氧气含量,氧分压5 Pa,然后将样品在1000℃下热处理2 h。为讨论问题方便起见,分别将不同沉积温度的样品编号如表1。

表1 不同沉积温度的样品编号

不同沉积温度的样品编号

  采用X 射线衍射仪(XRD,D8-ADVANCE型,德国BRUKDR) 进行物相结构分析,辐射源为CuKα线,电压40.0 kV,电流50mA,扫描范围2θ:10° ~80°,扫描速率10° /min,利用扫描电子显微镜(SEM,S-4800 型,日立) 观察薄膜表面和横断面形貌,利用Agilent 4291B 型射频阻抗/材料分析仪测试YSZ /STO/YSZ 超晶格电解质薄膜交流阻抗谱。

  3、结论

  采用PLD技术在单侧抛光的STO单晶基底上成功地沉积了致密的YSZ/STO/YSZ 超晶格电解质薄膜,并对其物相、表面形貌、截面形貌及电学性能进行测试分析得出以下结论:

  (1) 使用PLD技术在STO单晶基底上沉积厚度约为600nm 的致密YSZ/STO/YSZ超晶格电解质薄膜,在(111) 晶向上择优生长。沉积温度为600℃时,薄膜具有最佳的结晶度。

  (2) 在温度350 ~500℃范围内,YSZ/STO/YSZ超晶格电解质薄膜电导活化能分别为0.81,0.79,0.76,0.77 eV,比YSZ 体材料的活化能明显减小,在300℃时测得的电导率比体材料提高了三个数量级,是较好的低温固体燃料电池电解质。

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