以磁控濺鍍法製備二氧化鈰電解質薄膜之分析與研究

Fabrication and Characterization of Gadolinia-doped Ceria Thin Electrolytes Deposited by RF Magnetron Sputtering

莊玉涵(Yu-Han Chuang)

指導教授 ： 王錫福

國立臺北科技大學/工程學院/材料科學與工程研究所/碩士(2009年)

摘要

本研究主要目的在於以磁控濺鍍的方式沈積固態氧化物燃料電池中之電解質薄膜，以釓摻雜進氧化鈰(GDC)中，期望替代高溫型電解質釔安定氧化鋯(YSZ)作為SOFC中之電解質層，而釓摻雜氧化鈰優點在於中低溫的工作環境下離子傳導率優於釔安定氧化鋯，對於降低電池整體工作溫度有相當大的助益，並且藉由磁控濺鍍法沈積電解質薄膜使電解質厚度降低，來達到歐姆阻抗下降之目的。
在本實驗中以固態反應法合成GDC10之靶材，通入氧氣並以磁控濺鍍法將電解質薄膜沈積於矽基板及NiO/GDC陽極上，再對沈積層進行掃描式電子顯微鏡(SEM)、X光繞射儀(XRD)、感應耦合電漿質譜分析儀(ICP)來分析與檢測其物理性質，瞭解在不同濺鍍參數的情況下對於薄膜結構與膜厚影響。
研究結果發現可成功製備出釓摻雜氧化鈰之薄膜，沈積電解質層之成份會隨氧氣流量的增加，與靶材成份越接近，但氧氣流量的大小改變，對於沈積於矽基板上之薄膜微結構並沒有產生顯著的影響。但改變沈積時間時所得到薄膜型態則會有所改變，薄膜的緻密性會隨著沈積時間的增加而增加，且薄膜整體的厚度亦可得到提昇，由實驗結果得知當沈積時間增加至240 min時可得到3.2 μm 之緻密性薄膜；而當增加濺鍍功率時，薄膜的微結構也會產生變化，由於成核機制的影響，發現在較大濺鍍功率時，所沈積之薄膜晶粒較小。
本實驗亦將電解質層沈積於多孔性之陽極上，並將沈積時間增加至10 小時，期望可得到更為緻密且厚度足夠之電解質層。

關鍵字

釓摻雜氧化鈰 ； 固態氧化物燃料電池 ； 磁控濺鍍法

並列摘要

The deposition and charterization of 10% Gd doped ceria(GDC10) film on Si substrate and NiO/GDC anode by sputtering wad studied because GDC exhibits an ionic conductivity which is 3-5 times higher than YSZ.The crystal structure, chemical composition, surface morphology and roughness of GDC films deposited with different gas flow rations.
The film deposited on Si substrate and NiO/GDC which structure is different. And the deposited rate is slower than deposited on Si.We find the oxygen flow rate will effect the chemical composition. When oxygen flow rate is from 2 sccm to 10 sccm ,the composition will more closely NiO/GDC10.

並列關鍵字

SOFC ； CeO2 ； electrolyte ； RF sputtering

參考文獻

[13]. 謝文碩，“高溫型固態氧化物燃料電池之製程與特性研究”，碩士論文，國立台北科技大學材料科學與工程研究所，台北，2007

[3]. S. Ohara, R. Maric, X.Zhang,“High performance electrodes for reduced temperature solid oxide fuel cells with doped lanthanum gallate electrolyte I.Ni-SDC cermet anode,”Journal of Power Sources 86 455-458 (2000).

[4]. M. Mogensen, N. M. Sammes,“Physical chemical and electrochemical properties of pure and doped ceria,”Solid State Ionics 129 63–94 (2000).

[5]. H. Inaba, H. Tagawa,“Ceria-based solid electrolyte,”Solid State Ionics 83 1–16 (1996).

[6]. L. R. Pederson, P.Singh, X. D. Zhou,“Application of vacuum deposition methods to solid oxide fuel cells,”Vacuum 80 1066–1083 (2006).