摻雜CeO-,2-電解質(zhì)薄膜的磁控濺射制備工藝探索.pdf

1、摻雜CeO2基電解質(zhì)材料替代傳統(tǒng)的YSZ電解質(zhì)材料是發(fā)展中溫固體氧化物燃料電池的趨勢(shì)，是目前SOFC領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。摻雜濃度為10﹪～20﹪左右的Gd2O3摻雜的CeO2(GDC)電解質(zhì)因在400-700℃溫度下具有較高離子電導(dǎo)率，使其成為最有希望的替代材料之一。為了滿足電解質(zhì)材料薄膜化、中溫化的發(fā)展趨勢(shì)，早日實(shí)現(xiàn)固體氧化物燃料電池商業(yè)化，尚需對(duì)GDC電解質(zhì)材料制備工藝的改善和離子電導(dǎo)率的提高進(jìn)行更加深入的研究，這對(duì)推動(dòng)中溫固體氧化

2、物燃料電池的發(fā)展具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。 本文采用反應(yīng)射頻磁控濺射方法，利用Gd/Ce鑲嵌復(fù)合靶，探索厚度2微米以下GDC薄膜的制備工藝。重點(diǎn)探討了基片溫度與氧分壓對(duì)薄膜成分、物相、生長(zhǎng)取向、晶粒大小、粗糙度等表面形貌的影響，以及不同生長(zhǎng)條件下薄膜的表面演化行為，取得的主要研究結(jié)果如下： 1.沉積溫度對(duì)GDC薄膜生長(zhǎng)行為影響的研究結(jié)果表明：基片溫度對(duì)GDC薄膜成分的影響較小。不同溫度下制備的薄膜中，面心立方結(jié)構(gòu)GDC固溶

3、體相占主導(dǎo)，同時(shí)存在少量體心立方結(jié)構(gòu)Gd2O3中間相。GDC薄膜的生長(zhǎng)取向隨基片溫度而變化，200℃時(shí)，無(wú)擇優(yōu)取向，500℃時(shí)薄膜呈現(xiàn)(220)織構(gòu)，700℃則為(111)擇優(yōu)取向。薄膜沉積速率隨基片溫度升高基本呈下降趨勢(shì)。AFM分析表明，薄膜為島狀生長(zhǎng)，隨溫度升高，表面生長(zhǎng)島尺寸增大，島密度變?。?00℃溫度下，GDC薄膜進(jìn)行高沉積速率下的低粗糙化生長(zhǎng)，而300℃以上溫度范圍內(nèi)，GDC薄膜發(fā)生以晶粒擇優(yōu)生長(zhǎng)為主導(dǎo)的表面粗化生長(zhǎng)。

4、 2.氧分壓對(duì)GDC薄膜生長(zhǎng)行為影響的研究結(jié)果表明：氧分壓對(duì)薄膜成分的影響較小。在氧分壓較小時(shí)，薄膜呈現(xiàn)(111)織構(gòu)面心立方螢石結(jié)構(gòu)GDC固溶體單相；在高氧分壓條件下，薄膜中(220)織構(gòu)的面心立方GDC固溶體多晶相占主導(dǎo)，同時(shí)出現(xiàn)少量體心立方結(jié)構(gòu)的Gd2O3中間相。AFM分析表明，低氧分壓時(shí)，薄膜表面生長(zhǎng)島之間相互結(jié)合成具有一定取向關(guān)系的生長(zhǎng)島鏈，這與GDC相很強(qiáng)的(111)織構(gòu)有關(guān)；隨著氧分壓的增高，球形生長(zhǎng)島尺寸逐漸增大。在高