Gd掺杂CeO2电解质薄膜的生长与电学特性研究

论文摘要

掺杂CeO2基电解质材料替代传统的YSZ电解质材料是发展中温固体氧化物燃料电池的趋势,是目前SOFC领域的研究热点之一。掺杂浓度为10%～20%左右的Gd2O3掺杂的CeO2（GDC）电解质因在400—700℃温度下具有较高离子电导率,使其成为最有希望的替代材料之一。为了满足电解质材料薄膜化、中温化的发展趋势,尚需对GDC电解质材料制备工艺的改善和离子电导率的提高进行更加深入的研究。本文采用反应射频磁控溅射方法,利用Gd/Ce镶嵌复合靶,探索非晶石英基片上沉积温度对GDC薄膜的生长与电学特性的影响。采用X射线衍射仪、原子力显微镜和透射电镜对薄膜物相、晶粒大小、微观形貌进行了表征,利用交流阻抗谱仪测试了GDC薄膜的电学性能。结果表明:GDC薄膜成分基本上不随沉积温度变化,Gd原子的摩尔百分数约为14.3%。GDC薄膜的物相结构随沉积温度变化,沉积温度为300℃、400℃时,薄膜呈强的（111）织构生长,500℃、600℃时,薄膜呈现无规则取向生长。晶粒尺寸随沉积温度变化,300-500℃范围内,晶粒尺寸随沉积温度升高而减小,600℃时,晶粒尺寸又变大。薄膜表面形貌随沉积温度变化,沉积温度为300-400℃时,薄膜表面呈沿同一方向排列的棱形岛状生长,Rrms＞12nm;500-600℃时,薄膜表面岛呈球形,尺寸变小,Rrms≈2nm。沉积温度为300℃时,薄膜内晶粒大致呈三角形,晶粒尺寸较大;沉积温度为400-600℃时,晶粒形状不规则,晶粒尺寸相对较小;600℃时,晶界体积分数相对较大。GDC薄膜以上的特征证明:500℃是薄膜生长模式的转变温度。GDC薄膜的Nynist阻抗谱图由一高频区近似完美的半圆和低频区一小段圆弧组成,等效电路为RC并联电路。对于同一GDC薄膜:电容C基本上不随测试温度变化,电阻R随测试温度的下降呈指数规律增大;GDC薄膜的电导率随测试温度的升高呈指数规律增大,最大为0.0151s.cm-1。对于不同沉积温度下的GDC薄膜有:在测试温度范围内,沉积温度为300-500℃时GDC薄膜的电导率逐渐增大,600℃时电导率有明显减小;薄膜的电导活化能基本上不随沉积温度变化,约为1.3ev,接近晶界电导活化能,薄膜内晶界电导占主导;晶界空间电荷效应导致GDC薄膜电导率随晶粒尺寸而变化,晶粒尺寸越小,电导率越大。高频下各GDC薄膜的阻抗的实部Z′和虚部Z″分别重合,这可能与薄膜内空间电荷的释放有关。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 燃料电池
• 1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）
• 1.2.1 SOFC概述
• 1.2.2 SOFC的研究进展与现状
• 1.2.3 SOFC的电解质材料
• 1.3 本论文的研究内容与目的
• 2 GDC薄膜的制备与表征方法
• 2.1 薄膜制备
• 2.1.1 反应射频磁控溅射基本原理
• 2.1.2 实验设备
• 2.1.3 靶材与基片处理
• 2.1.4 薄膜制备条件
• 2.2 薄膜的表征方法
• 2.2.1 薄膜厚度的表征
• 2.2.2 薄膜成分的表征（EPMA）
• 2.2.3 薄膜微观结构的表征
• 2.2.4 薄膜表面形貌的表征
• 2.2.5 薄膜电学性质的表征
• 3 GDC薄膜的生长特性
• 3.1 薄膜的成分
• 3.2 薄膜的厚度
• 3.3 薄膜的物相结构
• 3.4 薄膜的表面形貌
• 3.5 薄膜的内部微观形貌
• 3.5.1 薄膜平面TEM分析
• 3.5.2 薄膜的高分辨TEM（HRTEM）分析
• 3.6 本章小结
• 4 GDC薄膜的电学特性
• 4.1 GDC薄膜的阻抗谱分析
• 4.1.1 GDC薄膜的阻抗谱
• 4.1.2 GDC薄膜阻抗谱的拟合与结果
• 4.1.3 测试温度对GDC薄膜阻抗谱的影响
• 4.2 GDC薄膜的电导分析
• 4.2.1 GDC薄膜的电导率
• 4.2.2 GDC薄膜的电导活化能
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢