柱状晶异质界面结构YSZ/DCO薄膜的制备及其导电行为研究

本项目依据异质界面结构薄膜界面区的高电导特性，针对离子导体电解质薄膜提高垂直膜面方向电导率的迫切性，拟采用物理气相沉积工艺结合溶胶浸渗处理，创造性地在垂直膜面方向引入大量柱状晶异质界面，进而提高该方向的电导率。研究内容包括：①利用电子束物理气相沉积制备YSZ氧离子导体薄膜，通过沉积工艺调控实现薄膜以垂直膜面方向排列的柱状晶形式生长并控制其晶粒尺度和晶粒间隙大小；②采用溶胶浸渗结合烧结致密化处理在上述YSZ薄膜柱状晶间隙内填充掺杂氧化铈(DCO)，创造出大量垂直膜面方向排列的YSZ/DCO柱状晶异质界面；③通过对不同异质界面结构特征YSZ/DCO薄膜电导率的测量，建立上述柱状晶异质界面结构对离子导体薄膜电导率的影响规律，证实高密度柱状晶异质界面的引入对提高垂直膜面方向电导率的可行性。本研究将为柱状晶异质界面结构薄膜的实际应用奠定理论基础，并对提高离子导体薄膜垂直膜面方向的电导率具有重要意义。

本项目紧密围绕物理气相沉积工艺制备YSZ薄膜的柱状晶结构特征以及柱状晶晶界的元素扩散掺杂对薄膜电导率的影响开展研究工作，研究工作分3个方面概括如下：.①利用EB-PVD工艺制备了YSZ氧离子导体薄膜，通过沉积工艺调控成功实现了薄膜以特殊取向排列的柱状晶形式生长，并实现了对薄膜晶粒尺度和晶粒间隙大小等的调控。之后采用溶胶浸渗结合烧结致密化处理工艺对上述YSZ薄膜进行了溶胶浸渗处理，对浸渗处理前后薄膜的电导率进行了测量，建立了柱状晶异质界面结构对氧离子导体薄膜电导率的影响规律，证实了高密度柱状晶异质界面的引入对提高薄膜电导率的可行性。.②揭示了溶胶浸渗和异价金属离子晶界扩散掺杂提高柱状晶结构YSZ薄膜电导率的微观机制，分别从空间电荷效应理论和晶界区杂质元素偏聚理论的角度对该机制进行了解释。氧离子传导激活能和HRTEM下EDS分析结果均显示，Fe元素晶界扩散掺杂后电导率的提高主要是由于该元素对晶界区硅质相等具有清除效应，这也间接证实了YSZ薄膜的电导率是由晶界区硅质相的偏聚造成的。.③将上述具有择优取向排列特征的柱状晶薄膜内异价元素的掺杂和晶界扩散效应进行了拓展，研究了等轴晶粒结构陶瓷内异质界面对电导率的影响规律，证实了SrTiO3/YSZ异质界面对YSZ电导率提高的作用，优化了SrTiO3掺杂的最佳浓度。.在本项目的资助下已发表期刊类学术论文5篇，其中3篇被SCI检索，2篇被EI检索；另有2篇文章正处于审稿阶段。已申请并获授权国家专利3项，其中国家发明专利1项、实用新型专利2项。共培养硕士研究生4名，其中2人顺利毕业、2人在读；指导2届共6名本科生进行大学生创新性实验研究。先后4人次参加全国溶胶-凝胶学术会议和中日三校纳米材料研讨会。上述研究成果达到了项目任务书规定的目标。