Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Тонкие пленки CeO₂-δ, легированные Sm, на Al₂O₃(0001): превосходная поверхностная протонная проводимость

Аннотация

Тонкие пленки CeO₂-δ, легированные Sm (Ce₀.₉Sm₀.₁O₂-δ; SDC), были получены на подложках Al₂O₃ (0001) методом высокочастотного магнетронного спуттеринга. Пленки растут преимущественно вдоль направления [111], при этом межплоскостное расстояние (111) (d₁₁₁) расширяется на 2,6% для компенсации несоответствия решеток с подложкой. Мокрое отжиг SDC-пленки, у которого уменьшается значение d₁₁₁, демонстрирует поверхностную протонную проводимость в низкотемпературной области (ниже 100 °C). Фотоэмиссионный спектр O1s показывает пики H₂O и OH⁻ на поверхности SDC. Эти результаты указывают на наличие физически адсорбированных водяных слоев и генерацию протонов на поверхности SDC (111) с кислородными вакансиями. Протоны, генерируемые на поверхности SDC, переносятся через физически адсорбированный водяной слой механизмом Гроттуса.

Введение

Флюоритоподобные оксиды CeO₂-δ являются перспективными твердыми электролитами для твердооксидных топливных элементов (СОТ) благодаря высокой кислородно-ионной проводимости при высоких температурах (выше 800 °C). Кислородно-ионная проводимость объемного кристалла CeO₂-δ может регулироваться путем замещения тривалентными редкоземельными катионами, при этом при низких кислородных потенциалах также наблюдается малая электронная проводимость из-за образования хоппинг-электронов на катионных позициях.

Недавно для пористых и нанокристаллических CeO₂-δ и Y-стабилизированного ZrO₂ (YSZ) была обнаружена высокая протонная проводимость ниже 100 °C, включая комнатную температуру. Хотя детальный механизм до сих пор обсуждается, считается, что такая проводимость обусловлена поверхностной адсорбцией водяных молекул. Протоны генерируются адсорбированными молекулами воды и переносятся через адсорбированные водяные слои, поэтому большая площадь поверхности критически важна для усиления протонной проводимости. С практической точки зрения тонкопленочные формы более подходят, чем пористые или нанокристаллические. Протонно-проводящие тонкие пленки CeO₂ могут применяться в различных электрохимических устройствах, например, в транзисторах с электрохимическим двойным слоем (EDLT), работающих за счет легирования носителями, индуцированным EDL. Хотя поверхностная протонная проводимость уже находилась в керамике и тонких пленках чистого и легированного CeO₂, её величина была недостаточной для практических применений.

В данном исследовании, чтобы улучшить поверхностную протонную проводимость тонких пленок CeO₂, мы подготовили преференциально ориентированную тонкую пленку Sm-легированного CeO₂ (SDC) на подложке Al₂O₃ (0001) и изучили её поверхностную протонную проводимость.

Методы/Эксперимент

Подготовка SDC-тонких пленок

Керамическая мишень с 10 моль.% Sm в CeO₂ синтезировалась методом твердофазного взаимодействия. Порошки CeO₂ (99,9%) и Sm₂O₃ (99,99%) механически активировались в шаровой мельнице 24 ч, затем прессовались в диск при 50 МПа и спеклись в воздухе при 1250 °C в течение 6 ч. Тонкие пленки SDC осаждались на подложки Al₂O₃ (0001) методом ВЧ-магнетронного спуттеринга с керамической мишенью. Система имела симметричную конфигурацию с вращающимся держателем подложки для однородности состава и базовое давление 2,0 × 10⁻⁷ Торр. Расстояние между мишенью и подложками — 70 мм. Мощность ВЧ на мишени — 50 Вт, расход Ar — 30 ссм. Давление осаждения — 8,0 × 10⁻³ Торр, температура подложки — 700 °C. Пленку отжигали во влажной атмосфере (Ar:O₂ = 4:1, p(H₂O) = 2,3 кПа) при 500 °C в течение 1 ч. По спектрам фотоэмиссии Ce 3d, Sm 3d и O 1s состав пленки рассчитан как Ce₀.₈₅₈Sm₀.₁₄₂O₁.₉₁₂.

Характеризация кристаллической структуры и проводимости

Качество кристаллической структуры определяли рентгеновской дифракцией (XRD) с CuKα (Rigaku Miniflex 600). Электрическая проводимость измерялась методом ВС импеданса с частотным анализатором (Solartron 1260) и усилителем (Solartron 1296) в диапазоне температур в сухом воздухе (Ar:O₂ = 4:1) и влажном воздухе (Ar:O₂ = 4:1, p(H₂O) = 2,3 кПа). Для измерения вплоскостной проводимости на поверхность пленки через металлическую маску спуттеринга наносился интердигитированный Ag-электрод толщиной ~100 нм. Площадь пленки — 8,0 × 8,0 мм², длина и ширина проводимого пути — 45,0 мм и 0,4 мм. Тип носителя заряда оценивали по зависимости проводимости от P_O₂. Диапазон частот измерений — 32–100 МГц. Значение проводимости на каждой температуре рассчитывали с учетом сопротивления, геометрии проводимого пути и площади поперечного сечения пленки.

Характеризация электронной структуры

Электронную структуру изучали методами фотоэмиссионной спектроскопии (PES) и рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS) на синхротронном лучу KEK Photon Factory BL-2A MUSASHI. XAS регистрировали в режиме суммарного электронного выхода. PES-спектры измеряли гемисферическим анализатором VG-Scienta SES-2002. Разрешение PES и XAS составляло ~100 и ~80 мэВ соответственно.

Результаты и обсуждение

На рис. 1 показаны XRD-спектры SDC-керамики, осажденной и мокро отожженной SDC-пленок. Керамическая мишень поликристаллична, а тонкая пленка растет преференциально вдоль [111]. Для сравнения подготовили нанокристаллическую SDC-керамику, которая, несмотря на низкое кристаллическое качество, демонстрировала достаточную протонную проводимость. Позиции пика (111) керамики и осажденной пленки — ~29,02° и ~28,31°, соответствующие d₁₁₁ = 3,070 и 3,151 Å. Значение d₁₁₁ пленки расширено на 2,6% относительно керамики для компенсации несоответствия решеток SDC и Al₂O₃. После мокрого отжига d₁₁₁ составляет 3,091 Å, что на 1,9% меньше, чем у осажденной пленки. Это сжатие связано с химической адсорбацией водяных молекул кислородными вакансиями при мокром отжиге по реакции:

H₂O + V_O^•• + ½O₂ → 2(OH)^•

Рис. 1. XRD-спектры осажденной, мокро отожженной SDC-тонких пленок и SDC-керамики. Две вертикальные линии соответствуют плоскостям CeO₂ (111) и (200).

Слабый пик отжига при ~38,0° относится к пику (111) Ag-электрода, использованного для измерений проводимости.

Рис. 2a показывает XAS-спектр Ce 3d₅/₂ сухой SDC-пленки. Спектр соответствует переходу из ядерного уровня Ce 3d₅/₂ в свободные состояния Ce 4f. Форма и позиция пиков хорошо согласуются с данными для тонких пленок CeO₂. По гауссовской аппроксимации пики on-1 и on-2 соответствуют Ce³⁺, а пик on-3 — Ce⁴⁺. Таким образом, SDC-пленка имеет смешанные валентные состояния Ce⁴⁺ и Ce³⁺. Различий между сухой и мокро отожженной пленками нет, что указывает на недостаточное разрешение XAS для детектирования влияния протонов на электронную структуру. Поэтому применяли резонансный PES-метод с более высоким разрешением.

Рис. 2. a XAS-спектр Ce 3d осажденной SDC-пленки. Метки on-1, on-2, on-3 указывают энергии возбуждения для резонансного PES. b Резонансные PES-спектры осажденной и мокро отожженной SDC-пленок, измеренные при on-1, on-2, on-3. Зеленые и синие кривые — состояния Ce³⁺ и Ce⁴⁺ по гауссовской аппроксимации.

Рис. 2b демонстрирует резонансные PES-спектры осажденной и мокро отожженной пленок при фотонных энергиях on-1, on-2, on-3. Спектры отражают поверхностную электронную структуру (свободный пробег фотоэлектрона < 2 нм). Интенсивности нормированы на время накопления и ток пучка. Спектры резонансно усилены при on-1, on-2, on-3. Пик при ~2,0 эВ соответствует состоянию Ce³⁺ (3d⁹4f¹L), гибридизированному с O 2p (L — лигандная дыра в O 2p). Пик при ~4,3 эВ соответствует Ce⁴⁺ (3d⁹4f⁰), гибридизированному с O 2p. В осажденной пленке соотношение Ce⁴⁺/Ce³⁺ ≈ 88:12. В мокро отожженной пленке интенсивность пика Ce³⁺ (~2,0 эВ) ниже, что свидетельствует о заполнении кислородных вакансий кислородными ионами во влажной атмосфере.

Рис. 3 показывает аррениусовы графики электрической проводимости SDC-пленок и объемной керамики в сухом и влажном воздухе. В сухом воздухе обе системы демонстрируют аррениусову температурную активацию на всем диапазоне. Энергии активации (E_A) пленки и керамики — 0,70 и 1,1 эВ соответственно. Проводимость поликристаллической керамики на два порядка ниже из-за границ зерен. Подобные значения сообщались для Gd-легированного CeO₂.

Рис. 3. Аррениусовы графики электрической проводимости в плоскости SDC-тонких пленок и объемной керамики в сухом и влажном воздухе.

В влажной атмосфере проводимость пленки и керамики из-за протонной миграции плавно возрастает при понижении температуры ниже 100 °C и 250 °C соответственно. Рост более выражен в пленке. Одно- и микрокристаллические CeO₂ не показывают протонной проводимости, тогда как нанополикристаллы и пористые CeO₂ — показывают, так как протонная проводимость обусловлена адсорбированными на поверхности протонами.

Поверхностная протонная проводимость флюоритоподобных оксидов (CeO₂, YSZ) при комнатной температуре объясняется механизмом Гроттуса: физически адсорбированная H₂O образует на поверхности OH⁻ и H₃O⁺, и протон H₃O⁺ переходит от одной водяной молекулы к соседней:

H₂O⁺ + H₂O → H₂O + H₂O⁺

Аналогичное поведение наблюдалось в тонких пленках и керамике CeO₂ и YSZ.

Рис. 4a показывает зависимость удельного сопротивления мокро отожженной SDC-пленки от относительной влажности при комнатной температуре. Сопротивление падает на три порядка при повышении влажности от 50% до 100%. Драматический рост проводимости (рис. 3) связан с увеличением физически адсорбированной воды на поверхности SDC. Красная кривая — удельное сопротивление сухо отожженной пленки при 100% влажности и 22 °C: оно на два порядка выше, чем у мокро отожженной. Это подтверждает, что протонная адсорбция на поверхности SDC при мокром отжиге повышает поверхностную протонную проводимость. Рис. 4b — график Коуля-Коуля для мокро отожженной пленки при 22 °C. Наблюдается один полукруг и хвост второго, что указывает на поверхностную протонную проводимость.

Рис. 4. a Зависимость удельного сопротивления мокро отожженной SDC-пленки от относительной влажности. b График Коуля-Коуля мокро отожженной пленки при 22 °C в влажном воздухе (100% RH).

Рис. 5 показывает PES-спектры O 1s сухой и мокро отожженных пленок. Обе имеют двухпиковую структуру и острый пик ~529,5 эВ (O²⁻ в решетке). Слабые пики различаются: широкая полоса ~532 эВ в осажденной пленке соответствует OH⁻, образованному при хемисорбции воды; пик 533 эВ в мокро отожженной пленке — физически адсорбированным H₂O молекулам. Та же структура пиков наблюдалась в YSZ-пленках с поверхностной протонной проводимостью. Доля физически адсорбированной H₂O выросла с 7,8% до 24% после мокрого отжига. Таким образом, рост проводимости (рис. 4) отражает увеличение физически адсорбированных водяных молекул на поверхности SDC.

Рис. 5. PES-спектры O 1s сухой и мокро отожженных пленок. Синие, зеленые и желтые кривые — O²⁻ в решетке, OH⁻ и H₂O на поверхности по гауссовской аппроксимации.

Достигнута протонная проводимость 5,98 × 10⁻⁵ См/см при комнатной температуре в преференциально ориентированной тонкой пленке — на два порядка выше, чем в поликристаллической керамике. Такая проводимость применима в практике. Особо值得注意的是 ~10⁻² См/см при высокой влажности (рис. 4a), что значительно превосходит лучшие результаты: ~10⁻⁴ См/см для Gd-легированных тонких пленок CeO₂ и ~10⁻⁶ См/см для поликристаллов. Высокая протонная проводимость обусловлена двумя особенностями преференциально ориентированной SDC-пленки с кислородными вакансиями. Первая — высокая адсорбция воды на поверхности SDC (111). По O 1s PES 16,9% обнаруженного кислорода приходится на хемисорбированную воду, 24% — на физически адсорбированную. Это означает наличие слоев физически адсорбированной воды, служащих протонно-проводящими путями. Вторая — диссоциация адсорбированной воды на поверхности SDC (111). Редуцированная поверхность CeO₂-δ(111) способствует диссоциации водяных молекул и образованию OH⁻ и H⁺, участвующих в протонной проводимости. Диссоциированные протоны мигрируют через физически адсорбированный водяной слой механизмом Гроттуса. Преференциально ориентированная SDC-пленка обеспечивает такую высокую протонную проводимость.

Заключение

Изучена поверхностная протонная проводимость SDC-тонких пленок, полученных ВЧ-магнетронным спуттерингом. Пленка ориентирована вдоль [111], её поверхность редуцирована Sm-легированием. По Ce 3d, Sm 3d, O 1s PES состав пленки — Ce₀.₈₅₈Sm₀.₁₄₂O₁.₉₁₂.

Проводимость пленки выше объемной керамики благодаря преференциальной ориентации, слабо чувствительной к границам зерен. Из-за конденсации воды на поверхности SDC протонная проводимость мокро отожженной пленки растет при охлаждении ниже 100 °C, тогда как выше 100 °C преобладает кислородно-ионная проводимость.

При комнатной температуре в высоковлажной атмосфере достигнута протонная проводимость ~10⁻² См/см. Это следствие характеристик преференциально ориентированной SDC-пленки с кислородными вакансиями. Физически адсорбированные водяные слои на поверхности SDC (по O 1s PES) служат протонно-проводящими путями механизмом Гроттуса. Поверхность SDC (111) с кислородными вакансиями способствует диссоциации воды и образованию протонов. Сгенерированные протоны переносятся через физически адсорбированный водяной слой, обеспечивая высокую протонную проводимость.

Доступность данных и материалов

Данные, полученные и/или проанализированные в ходе данного исследования, доступны у соответствующего автора по запросу.

Аббревиатуры

d₁₁₁:
Межплоскостное расстояние (111)
E_A:
Энергия активации
EDL:
Электрический двойной слой
EDLT:
Транзистор с электрохимическим двойным слоем
E_g:
Ширина запрещенной зоны
PES:
Фотоэмиссионная спектроскопия
RF:
Радиочастота
RH:
Относительная влажность
SDC:
Sm-легированный CeO₂-δ
SOFC:
Твердооксидный топливный элемент
XAS:
Рентгеновская абсорбционная спектроскопия
XRD:
Рентгеновская дифракция
YSZ:
Y-стабилизированный ZrO₂

Наноматериалы

  1. Cu-катализированный рост аморфных кремниевых нанопроволок на SiO₂ отжигом: простой, беззагрязняющий метод
  2. Al2O3:SiOC нанокомпозиты из фенилтريمоксисилила-модифицированной альлюмины — синтез, структура и фототолумinescenceц…
  3. Пленочки WS₂ большой площади с гигантскими одиночными доменами, выросшие методом CVD при атмосферном давлении
  4. Высокопроизводительное нанопродольное литографирование полимерных тонких пленок методом динамического пл…
  5. Дешевые нанокомпозиты металлических солей дают высокоаспектные, супергидрофобные, слабоотражающие кремние…
  6. Обратимый электрохимический контроль фотолюминесценции в пленках CdSe/ZnS квантовых точек ядро/оболочка
  7. Высокотемпературная стабильность тонкопленочных термопар ITO/PtRh для авиамоторных применений
  8. Управление морфологией GaN на Si(111) путем предварительного осаждения Al и отношения Ga/N в МЛЭ
  9. Высокопроизводительное тонкопленочное покрытие Ниобий-Титан-Нитрид для поглотителей ИК-детекторов
  10. Освоение тонких параллельных оптик: преодоление подводных камней измерения с точностью