柱状晶YSZ薄膜的晶界调控及其对电导行为的影响

发布时间：2018-01-13 14:06

  本文关键词：柱状晶YSZ薄膜的晶界调控及其对电导行为的影响　出处：《昆明理工大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：YSZ作为性能优良的氧离子导体固态电解质,被广泛应用于固体氧化物燃料电池(SOFC)、氧泵、氧传感器等领域。提高YSZ的离子电导率具有重要的理论和实际意义,其中,制备YSZ薄膜是一种非常有效的途径。本文采用射频磁控溅射方法在A1203基片上制备了YSZ薄膜。XRD分析结果表明制备态及800℃退火后的YSZ薄膜均具有立方萤石型结构；SEM分析结果表明YSZ薄膜具有典型的柱状晶结构,膜层厚度约为2μm,且与衬底结合良好；TEM分析结果表明柱状晶晶粒大小在50-100nm范围内。采用溶胶-凝胶法制备含Fe-, Co, Si溶胶,在一定温度下对YSZ薄膜进行溶胶涂覆热扩散处理。EDS分析结果表明YSZ薄膜内不可避免的存在硅质相,掺杂Fe元素后,YSZ薄膜存在的硅质相被Fe元素吸附和偏聚至三叉晶界处。电导率测试结果表明,掺杂Fe元素的YSZ薄膜电导率比制备态高8倍,激活能没有变化,且掺杂Fe后薄膜的电导率没表现出对氧分压的依赖性,表明掺杂Fe后YSZ薄膜仍为氧离子导电机制。为研究过渡族元素Fe对晶界处硅质相的清除作用,对沉积后的YSZ薄膜先掺杂Si元素,然后再研究掺杂Fe后薄膜电导率的变化。结果发现相比于制备态,只掺杂Si的薄膜电导率下降3倍,先掺杂Si再掺杂Fe的薄膜电导率提高3倍,三者的电导激活能相同。说明晶界扩散掺杂Fe可以清除晶界处不导电硅质相,从而提高YSZ柱状晶薄膜的离子电导率。为研究厚度对YSZ薄膜电导率的影响,通过调整磁控溅射沉积时间制备了不同厚度的YSZ薄膜。YSZ薄膜的断面SEM结果表明薄膜具有柱状晶结构,厚度分别为0.67pm,1.47pm,1.84pm,2.52pm。表面TEM结果表明四种不同厚度薄膜样品的晶粒大小在40～100nm范围内。电导率测试结果表明,在测试温度400-800℃范围内,厚度为1.47μm的YSZ薄膜电导率最高。在去除衬底与薄膜界面区影响后,YSZ薄膜的电导率随薄膜厚度的增加而增大。根据空间电荷效应理论,随着薄膜厚度的增加晶界比例降低,晶界对电导率的影响降低进而提高电导率。
[Abstract]:As an excellent solid electrolyte for oxygen ion conductor, YSZ is widely used in solid oxide fuel cell (SOFC) and oxygen pump. It is of great theoretical and practical significance to improve the ionic conductivity of YSZ in the field of oxygen sensor. In this paper, YSZ thin films on A1203 substrate were prepared by RF magnetron sputtering. The results showed that Y films were prepared and annealed at 800 鈩，

本文编号：1419148