磁控濺射傾斜沉積納米多孔柱狀氧化物薄膜及其在SOFC中的應(yīng)用.pdf

1、傾斜沉積技術(shù)(GlancingAngleDeposition，GLAD)是一種將傳統(tǒng)的薄膜真空沉積與可控的襯底轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)合起來(lái)的新穎、有效的薄膜制備方法。采用GLAD可制備出各種形狀的納米結(jié)構(gòu)薄膜，如傾斜柱狀，之字形，C形，螺旋狀和豎直的柱狀結(jié)構(gòu)等，這些薄膜具有高孔隙率、大比表面積和各向異性等優(yōu)越的性質(zhì)，存在廣泛的潛在應(yīng)用，包括催化，光子晶體器件，傳感器，太陽(yáng)能電池，微流體等。
　　 在薄膜制備過(guò)程中，所采用的制備方法和沉積參數(shù)的不

2、同，將導(dǎo)致薄膜生長(zhǎng)行為的變化，進(jìn)而影響薄膜的微結(jié)構(gòu)和物理性能。磁控濺射具有濺射速率高、基底溫度低和適合大面積成膜等優(yōu)點(diǎn)，已成為一項(xiàng)成熟的工業(yè)化生產(chǎn)的薄膜制備技術(shù)。研究磁控濺射傾斜沉積方法中的各種工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響具有十分重要的意義，可以為進(jìn)一步理解薄膜的生長(zhǎng)機(jī)制提供更多的信息，具有一定的應(yīng)用與參考價(jià)值。
　　 本文采用反應(yīng)磁控濺射傾斜沉積(GLAD)的方法制備了多孔柱狀晶的ZrO2和YSZ薄膜，研究了各種工藝參數(shù)（沉積角、

3、功率和靶基距）對(duì)薄膜沉積速率、光學(xué)和結(jié)構(gòu)性能的影響;并將多孔YSZ薄膜用作SOFC電解質(zhì)與陰極功能層之間的過(guò)渡層，研究了單電池的性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析得到了以下結(jié)論:
　　 1、傾斜沉積的薄膜是傾斜的柱狀晶結(jié)構(gòu)，柱狀晶的直徑小于200nm，柱狀晶之間存在空隙，空隙寬度小于100nm。這種傾斜的柱狀結(jié)構(gòu)是由原子陰影效應(yīng)和較低的原子遷移率導(dǎo)致的。
　　 2、增大沉積角和增加靶基距均可使薄膜的透過(guò)率增加，折射率減小，孔隙率增大，

4、沉積速率減小。不同的是增大沉積角會(huì)增大柱狀傾斜角，而增加靶基距會(huì)減小柱狀傾斜角。濺射功率對(duì)ZrO2薄膜的透過(guò)率、折射率以及微結(jié)構(gòu)影響不大。當(dāng)沉積角為75°時(shí)可制備出折射率為1.56，孔隙率為41.7％的ZrO2薄膜。
　　 3、當(dāng)靶基距為11.0cm時(shí)，不同沉積角條件下制備的ZrO2薄膜均屬于四方相，平均晶粒大小在10nm左右;隨著沉積角的增加，最強(qiáng)衍射峰面由(110)變?yōu)?101)，說(shuō)明沉積角大小的改變?cè)谝欢ǔ潭壬峡梢愿淖僙r

5、O2薄膜中某些晶粒的取向。靶基距為6.5cm時(shí)制備的ZrO2薄膜出現(xiàn)了單斜晶相的衍射峰，而當(dāng)靶基距增大到8.0cm時(shí)單斜相的衍射峰減弱，幾乎觀察不到，說(shuō)明靶基距對(duì)ZrO2薄膜晶相的組成有一定的影響。
　　 4、多孔YSZ過(guò)渡層使單電池的歐姆阻抗增大，極化阻抗減小，但是并沒(méi)有顯著提高單電池的功率密度。在帶電解質(zhì)的半電池片上沉積的多孔YSZ膜是具有十分細(xì)小的傾斜柱狀結(jié)構(gòu)，柱狀晶之間的空隙小于200nm，在進(jìn)行了1150℃燒結(jié)和電池測(cè)