PDF《贾晓静 苏海莹 刘华艳 许彦彬 康振峰 丁铁柱》

2) 寻找电导率 更高的电解质材料. 稀土元素掺杂 CeO2 基材具有较高的氧离子电 导率和离子迁移数, 其离子电导率在中低温度下 比YSZ 材料高一个数量级, 因此近年来其作为体 电解质受到广泛关注. 其中, Sm3+ 掺杂 CeO2 材料 (SDC) 的Sm3+ 离子与 CeO2 立方萤石晶格中氧空 位之间的结合焓最低, 最有利于氧离子的传输, 因而SDC体系具有最高的电导率 [5] . 另外, 脉冲激光 溅射技术 (PLD) 使得单层薄膜厚度达到纳米级别, 由此打开了制备多层氧化物异质结的新局面. 关于 异质结的研究表明: 由于异质结界面之间的界面效 应, 使其表现出不同于单一体材料的性质, 包括非 超导层之间的高电导率及绝缘氧化物界面间高的 离子迁移率 [6] .

2000 年, Sata 等[7] 应用分子束外延制备了不 同调制周期的 CaF2/BaF2 离子导体多层膜. 研究 发现: 在薄膜总厚度一定情况下, 多层膜电导率 随周期数的增加而升高, 且不同的调制周期对薄 膜电导率有影响;

超晶格导电性比 BaF2 薄膜导电 性能高出

2 个数量级. 这些结果与 F 原子在界面 处的重新分配相符合. 另外, 对于超晶格电解质 (GDC/YSZ)N 的研究发现, 增加双分子层中电导 率高的 GDC 含量可提高 (GDC/YSZ)N 超晶格薄 膜的电导率 [8] , 这表明通过改变多层膜的调制结 构能够优化材料的离子导电特性 [7] . Lin 等[9] 提出 ? 国家自然科学基金 (批准号: 11264025) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?

2017 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 016801-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No.

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016801 的多层膜模型及其实验事实也证明, 通过制备多 层复合薄膜, 可使缺陷终止于多层膜界面处, 有助 于提高薄膜的生长质量. 最近研究发现的超晶格 (STO/YSZ)N 的离子导电性比 YSZ 高出几个数量 级也再次证明这一事实 [10] . 综上所述, 本文通过在 MgO 晶片上制备以 STO 为缓冲层的不同周期数的 (SDC/YSZ)N 超晶 格电解质薄膜来对中温电解质材料的性能优化进 行进一步的探究. 在对 (SDC/YSZ)N 研究 [11] 的基 础上, 增加了 STO 作为缓冲层, 以期提高薄膜生长 质量, 形成更好的超晶格结构. 改变 (SDC/YSZ)N 超晶格电解质中双分子层 SDC : YSZ 的调制比为

2 : 1. 增加了双分子层中 SDC的含量, 以期提高薄 膜的电导率.

2 实验PLD 技术已日益发展成为沉积电解质薄膜的 关键技术. 本实验采用 PLD 制备多层异质结电解 质薄膜, 调节衬底与靶材间距为

5 cm, 这一间距有 利于等离子流与氧气充分反应;

调节激光器为恒 压27 kV 模式;

借鉴已有实验成果, 在衬底温度为

700 ? C时, 薄膜生长良好, 致密度高, 故将衬底温度 升高到

700 ? C 时开始溅射. 设置激光器每隔 0.2 s 溅射一次, 通过控制溅射次数来控制薄膜厚度, 由于 SDC 的导电率与 YSZ 相比较高, 为提高电解 质电导率, 通过控制溅射次数使 SDC 层的厚度是 YSZ 层厚度的

2 倍. 保持薄膜的总厚度为

400 nm, 制备不同周期的超晶格电解质薄膜 (SDC/YSZ)N , 其中 N = 4, 6, 10, 20. 溅射完成后, 为增强薄膜 致密度和结晶度, 提高附着力, 将样品在温度为

850 ? C 的退火炉中退火

1 h. 为讨论问题方便起 见, 表1列出了超晶格电解质薄膜样品制备条件和 编号. 超晶格电解质薄膜的表面形貌和断面、物相 结构、 结晶度可利用扫描电子显微镜 (SEM), X 射 线衍射仪 (XRD, 辐射源为 Cu Kα 线), Tecnai G2 F20 场发射透射电子显微镜 (TEM) 对其性质进行 检测. 沉积得到的电解质薄膜的交流阻抗和电导 率可利用射频阻抗/材料分析仪测试, 用银膏将两 个银丝平行地粘在薄膜的表面, 控制测试温度在 400―700 ? C 范围内, 步长为