磁控溅射倾斜沉积纳米多孔柱状氧化物薄膜及其在SOFC中的应用

摘要

倾斜沉积技术(GlancingAngleDeposition，GLAD)是一种将传统的薄膜真空沉积与可控的衬底转动结合起来的新颖、有效的薄膜制备方法。采用GLAD可制备出各种形状的纳米结构薄膜，如倾斜柱状，之字形，C形，螺旋状和竖直的柱状结构等，这些薄膜具有高孔隙率、大比表面积和各向异性等优越的性质，存在广泛的潜在应用，包括催化，光子晶体器件，传感器，太阳能电池，微流体等。
　　 在薄膜制备过程中，所采用的制备方法和沉积参数的不同，将导致薄膜生长行为的变化，进而影响薄膜的微结构和物理性能。磁控溅射具有溅射速率高、基底温度低和适合大面积成膜等优点，已成为一项成熟的工业化生产的薄膜制备技术。研究磁控溅射倾斜沉积方法中的各种工艺参数对薄膜性能的影响具有十分重要的意义，可以为进一步理解薄膜的生长机制提供更多的信息，具有一定的应用与参考价值。
　　 本文采用反应磁控溅射倾斜沉积(GLAD)的方法制备了多孔柱状晶的ZrO2和YSZ薄膜，研究了各种工艺参数（沉积角、功率和靶基距）对薄膜沉积速率、光学和结构性能的影响;并将多孔YSZ薄膜用作SOFC电解质与阴极功能层之间的过渡层，研究了单电池的性能。通过实验和分析得到了以下结论:
　　 1、倾斜沉积的薄膜是倾斜的柱状晶结构，柱状晶的直径小于200nm，柱状晶之间存在空隙，空隙宽度小于100nm。这种倾斜的柱状结构是由原子阴影效应和较低的原子迁移率导致的。
　　 2、增大沉积角和增加靶基距均可使薄膜的透过率增加，折射率减小，孔隙率增大，沉积速率减小。不同的是增大沉积角会增大柱状倾斜角，而增加靶基距会减小柱状倾斜角。溅射功率对ZrO2薄膜的透过率、折射率以及微结构影响不大。当沉积角为75°时可制备出折射率为1.56，孔隙率为41.7％的ZrO2薄膜。
　　 3、当靶基距为11.0cm时，不同沉积角条件下制备的ZrO2薄膜均属于四方相，平均晶粒大小在10nm左右;随着沉积角的增加，最强衍射峰面由(110)变为(101)，说明沉积角大小的改变在一定程度上可以改变ZrO2薄膜中某些晶粒的取向。靶基距为6.5cm时制备的ZrO2薄膜出现了单斜晶相的衍射峰，而当靶基距增大到8.0cm时单斜相的衍射峰减弱，几乎观察不到，说明靶基距对ZrO2薄膜晶相的组成有一定的影响。
　　 4、多孔YSZ过渡层使单电池的欧姆阻抗增大，极化阻抗减小，但是并没有显著提高单电池的功率密度。在带电解质的半电池片上沉积的多孔YSZ膜是具有十分细小的倾斜柱状结构，柱状晶之间的空隙小于200nm，在进行了1150℃烧结和电池测试之后，多孔YSZ膜仍是倾斜的柱状结构，然而柱体变粗，柱体内部变得十分致密，且柱体之间的空隙变大，大的空隙宽度可以达到1μm。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 倾斜沉积技术

1．1．1 倾斜沉积技术简介

1．1．2 倾斜沉积薄膜的生长

1．1．3 柱状倾斜角与沉积角之间的关系

1．1．4 倾斜沉积薄膜的性质及应用

1．2 磁控溅射技术

1．2．1 磁控溅射原理

1．2．2 反应磁控溅射

1．2．3 脉冲磁控溅射

1．3 固体氧化物燃料电池

1．3．1 SOFC的工作原理

1．3．2 SOFC部件的材料选择与制备方法

1．4 Bruggeman有效介质理论

1．5 本论文的研究内容

第二章 ZrO2和YSZ薄膜的制备及表征

2．1 磁控溅射设备

2．2 薄膜样品的制备

2．2．1 基片的清洗

2．2．2 实验操作步骤

2．3 薄膜样品的表征

2．4 单电池测试

第三章 磁控溅射制备ZrO2薄膜

3．1 引言

3．2 溅射参数对ZrO2薄膜性能的影晌

3．2．1 氧气流量的影响

3．2．2 溅射功率的影晌

3．2．3 靶基距的影响

3．3 本章小结

第四章 磁控溅射倾斜沉积法制备多孔ZrO2薄膜

4．1 引言

4．2 沉积角的影响

4．2．1 实验条件

4．2．2 沉积角对其沉积速率和光学性质的影响

4．2．3 沉积角对其结构的影响

4．3 溅射功率的影响

4．3．1 实验条件

4．3．2 溅射功率对其沉积速率和光学性质的影响

4．3．3 溅射功率对其结构的影响

4．4 靶基距的影响

4．4．1 实验条件

4．4．2 靶基距对其沉积速率和光学性质的影响

4．4．3 靶基距对其结构的影响

4．5 本章小结

第五章 倾斜沉积多孔YSZ薄膜及其在SOFC中的应用

5．1 引言

5．2 衬底倾斜角度对YSZ薄膜性能的影响

5．2．1 实验条件

5．2．2 沉积角对YSZ薄膜光学和结构性能的影响

5．3 多孔YSZ薄膜用作过渡层对SOFC单电池性能的影响

5．3．1 YSZ过渡层及单电池的制备

5．3．2 SOFC单电池的微结构与性能

5．4 本章小结

参考文献

致谢