PDF《刘华艳 范悦 康振锋 许彦彬 薄青瑞 丁铁柱》

2015 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 236801-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 64, No.

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236801 双层电解质结构, 实现优势互补, 使SDC 的电子电 导降低 [8] . 多层薄膜具有令人兴奋的性质, 多层 薄膜的界面强度或者周期性极大的影响薄膜的性 质[9] . 本文制备了 SDC和YSZ, 交替形成具有不同 界面数的超晶格电解质结构. 由于多层膜在界面处 的应变效应, 提高氧离子迁移率, 从而提高离子导 电率, 使其能够应用于低温SOFC电解质.

2 实验将YSZ, SDC 靶和 MgO 单晶片固定在相应 样品架上, 衬底与靶材间距为5cm, 制备(SDC/YSZ)N 超晶格电解质薄膜. PLD 作为一 种沉积薄膜的方法被使用 [10] . 在保持薄膜的厚度 不变的情况下, 通过控制溅射次数来调节不同层数 的薄膜. 当真空腔内的真空度为 6.0 * 10?5 Pa 时 开始加热, 保持衬底温度为 700? 时进行溅射. 激光 器采用恒压模式(27 kV), 频率为5 Hz. 溅射完成后 把样品放入退火炉重结晶, 保持温度为

850 ? C, 在 空气气氛中退火1 h. 为讨论问题方便起见, 将不同周期的(SDC/YSZ)N 超晶格电解质薄膜列表

1 . 表1中超 晶格电解质薄膜总厚度不变 (300 nm), SDC/YSZ 双分子层厚度随调制周期数N 变化. 表1五种不同层数的 (SDC/YSZ)N 多层电解质薄膜 Table. 1. Electrolyte thin ?lm of (SDC/YSZ)N multi- layer with ?ve di?erent layers. 样品编号 调制周期 N (双分子层的数量) 双分子层 厚度/nm 界面数 A

3 100

6 B

5 60

10 C

10 30

20 D

20 15

40 E

30 10

60 利用 X 射线衍射仪 (D8-ADVANCE 型, 德国 BRUKDR)进行物相结构分析, 辐射源为Cu Kα 线(λ = 0.15418 nm), 电压 40.0 kV, 电流

50 mA, 扫 描范围 2θ: 10? ―80? , 扫描速率10? /min;

利用扫描 电子显微镜和Tecnai G2 F20场发射透射电子显微 镜对薄膜进行测试, 通过薄膜表面和高分辨率形貌 图(HRTEM), 可以观察到薄膜的结晶情况;

利用 Agilent 4291B 型射频阻抗/材料分析仪 (日本) 测 试交流阻抗和电导率. 扫描类型LOG FREQ, 频率 40―10 MHz. 将两个银丝用银膏平行的黏在薄膜 的表面, 并在

500 ? C 条件下加热

30 min 用来加固 电极. 测试温度 450―700 ? C, 步长

50 ? C, 在升温 过程和降温过程中各测试一次, 然后取平均, 测试 数据采用ZSimpWin软件进行拟合分析.

3 结果与讨论 3.1 (SDC/YSZ)N 超晶格电解质薄膜XRD 图1是样品归一化后的 XRD 图谱. 在SDC 和YSZ 的(111) 衍射峰之间, 各个单层衍射的权重平 均效应构成超晶格薄膜的零级衍射峰 (最高峰). 五 个样品中薄膜的总厚度保持不变, 随着双分子层 数的增加, 零级衍射峰的位置小角度方向移动. 同 时可以看出, 零级衍射峰两侧都出现了伴峰, 薄膜 之间形成了明显的界面和较好的超晶格结构. 此外, 从图中可以看出, 样品A 到样品 E, 其卫星峰与 (111) 零级衍射峰的间距逐渐增大, 说明构成超晶 格膜的每个双分子层的厚度逐渐减小, 与我们的设 定周期变化相一致. 图1五种不同调制周期的 (SDC/YSZ)N 超晶格薄膜归 一化 XRD Fig. 1. Normalized XRD Patterns of (SDC/YSZ)N multilayer with ?ve di?erent modulation Periods. 236801-2 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 64, No.

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236801 3.2 超晶格薄膜表面SEM 和截面TEM 图2是(SDC/YSZ)N=20 的表面 SEM图谱. 从 图中可以看出超晶格表面颗粒生长均匀, 薄膜比较 平整致密. 图2(SDC/YSZ)N=20 薄膜表面 SEM 图Fig. 2. The surface SEM image of (SDC/YSZ)N=20 ?lm. 图3是样品 C 和D在透射电子显微下所观察 到的截面 TEM 图谱. 从图中可以明显看到超晶格 膜结构, 层与层之间结合紧密, 每层膜的厚度都比 较均匀, 界面清晰. 薄膜总厚度大约为