Cơ chế phát triển của màng mỏng và cấu trúc dị thể dựa trên ceria và zirconia được hình thành bằng phương pháp lắng đọng laser xung

Daniele Pergolesi1, Marco Fronzi1, Emiliana Fabbri1, Antonello Tebano2, Enrico Traversa3
1International Research Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), Tsukuba, Japan
2CNR-SPIN and Dipartimento di Informatica Sistemi e Produzione, University of Roma Tor Vergata, Rome, Italy
3International Research Center for Renewable Energy, State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, China

Tóm tắt

Các màng mỏng và cấu trúc dị thể epitaxial của CeO2 bị dop và không bị dop, cũng như ZrO2 (YSZ) ổn định với 8 mol% Y2O3, đã được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng laser xung trên các nền tinh thể đơn khác nhau. Phương pháp phản xạ electron với năng lượng cao đã được sử dụng để theo dõi cơ chế phát triển của các lớp màng trong quá trình hình thành. Hai cơ chế phát triển khác nhau đã được xác định dọc theo hướng phát triển (001) cho các vật liệu dựa trên Ce và Zr, tương ứng. Trong khi các màng ceria bị dop hoặc không bị dop cho thấy cơ chế phát triển 3 chiều đặc trưng bởi độ nhám bề mặt rõ nét, thì các màng YSZ cho thấy sự phát triển lý tưởng gần như theo lớp 2 chiều. Hơn nữa, khi hai vật liệu này được xếp chồng lên nhau trong các cấu trúc dị thể epitaxial, hai cơ chế phát triển khác nhau vẫn được bảo tồn. Do đó, một cấu trúc 2 chiều tái cấu trúc của các lớp dựa trên ceria được xác định bởi lớp YSZ nằm trên đã được quan sát. Các kết quả thí nghiệm được giải thích theo khía cạnh ổn định nhiệt động học của các bề mặt có chỉ số thấp của hai vật liệu bằng cách sử dụng phân tích tính toán thực hiện bởi lý thuyết chức năng mật độ.

Từ khóa

#ceria #zirconia #màng mỏng epitaxial #cấu trúc dị thể #lắng đọng laser xung #ổn định nhiệt động học

Tài liệu tham khảo

Esposito, V., Traversa, E.: Design of electroceramics for solid oxides fuel cell applications: playing with ceria. J. Am. Ceram. Soc. 91, 1037–1051 (2008) Wachsman, E.D., Lee, K.Y.: Lowering the temperature of solid oxide fuel cells. Science 334, 935–939 (2011) Chen, L.B.: Yttria-stabilized zirconia thermal barrier coatings—a review. Surf. Rev. Lett. 13, 535–544 (2006) Trovarelli, A.: Catalysis by ceria and related materials. In: Catalytic science series, vol. 2. World Scientific Publishing Co, Singapore (2002) Sanna, S., Esposito, V., Pergolesi, D., Orsini, A., Tebano, A., Licoccia, S., Balestrino, G., Traversa, E.: Fabrication and electrochemical properties of epitaxial samarium-doped ceria films on SrTiO3-buffered MgO substrates. Adv. Funct. Mater. 19, 1713–1719 (2009) Goebel, M.C., Gregori, G., Guo, X., Maier, J.: Boundary effects on the electrical conductivity of pure and doped cerium oxide thin films. Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 14351–14361 (2010) Goebel, M.C., Gregori, G., Maier, J.: Mixed conductivity in nanocrystalline highly acceptor doped cerium oxide thin films under oxidizing conditions. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 10940–10945 (2011) Sillassen, M., Eklund, P., Pryds, N., Johnson, E., Helmersson, U., Bøttiger, J.: Low-temperature superionic conductivity in strained yttria-stabilized zirconia. Adv. Funct. Mater. 20, 2071–2076 (2010) Korte, C., Peters, A., Janek, J., Hesse, D., Zakharov, N.: Ionic conductivity and activation energy for oxygen ion transport in superlattices—the semicoherent multilayer system YSZ (ZrO2 + 9.5 mol% Y2O3)/Y2O3. Phys. Chem. Chem. Phys. 10, 4623–4635 (2008) Azad, S., Marina, O.A., Wang, C.M., Saraf, L., Shutthanandan, V., McCready, D.E., El-Azab, A., Jaffe, J.E., Engelhard, M.H., Peden, C.H.F., Thevuthasan, S.: Nanoscale effects on ion conductance of layer-by-layer structures of gadolinia-doped ceria and zirconia. Appl. Phys. Lett. 86, 1319061 (2005) Korte, C., Schichtel, N., Hesse, D., Janek, J.: Influence of interface structure on mass transport in phase boundaries between different ionic materials. Monatsh. Chem. 140, 1069–1080 (2009) Schichtel, N., Korte, C., Hesse, D., Zakharov, N., Butz, B., Gerthsenc, D., Janek, J.: On the influence of strain on ion transport: microstructure and ionic conductivity of nanoscale YSZ/Sc2O3 multilayers. Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 14596–14608 (2010) Wang, C.M., Thevuthasan, S., Peden, C.H.F.: Interface structure of an epitaxial cubic ceria film on cubic zirconia. J. Am. Ceram. Soc. 86, 363–365 (2003) Ikegawa, S., Motoi, Y.: Growth of CeO2 thin films by metal-organic molecular beam epitaxy. Thin Solid Films 281, 60–63 (1996) Zaitsev, A.G., Ockenfuss, G., Guggi, D., Wördenweber, R., Krüger, U.: Structural perfection of (001) CeO2 thin films on (1102) sapphire. J. Appl. Phys. 81, 3069–3072 (1997) Bera, D., Kuchibhatla, S.V.N.T., Azad, S., Saraf, L., Wang, C.M., Shutthanandan, V., Nachimuthu, P., McCready, D.E., Engelhard, M.H., Marina, O.A., Baer, D.R., Seal, S., Thevuthasan, S.: Growth and characterization of highly oriented gadolinia-doped ceria (111) thin films on zirconia (111)/sapphire (0001) substrates. Thin Solid Films 516, 6088–6094 (2008) Kurian, J., Naito, M.: Growth of epitaxial CeO2 thin films on r-cut sapphire by molecular beam epitaxy. Physica C 492, 31–37 (2004) Nandasiri, M.I., Nachimuthu, P., Varga, T., Shutthanandan, V., Jiang, W., Kuchibhatla, S.V.N.T., Thevuthasan, S., Seal, S., Kayani, A.N.: Influence of growth rate on the epitaxial orientation and crystalline quality of CeO2 thin films grown on Al2O3 (0001). J. Appl. Phys. 109, 013525 (2011) Manning, P.S., Sirman, J.D., De Souza, R.A., Kilner, J.A.: The kinetics of oxygen transport in 9.5 mol % yttria stabilized zirconia. Solid State Ionics 100, 1–10 (1997) Fronzi, M., Soon, A., Delley, B., Traversa, E., Stampfl, C.: Stability and morphology of cerium oxide surfaces in an oxidizing environment: a first-principles investigation. J. Chem. Phys. 131, 104701 (2009) Xia, X., Oldman, R., Catlow, R.: Computational modeling study of bulk and surface of yttria-stabilized cubic zirconia. Chem. Mater. 21, 3576–3585 (2009) Muller, P., Kern, R.: Equilibrium nano-shape change induced by epitaxial stress: effect of surface stress. Surf. Sci. 457, 229–253 (2000) Fabbri, E., Pergolesi, D., Traversa, E.: Ionic conductivity in oxide heterostructures: the role of interfaces. Sci. Technol. Adv. Mater. 11, 054503–054512 (2010) Garcia-Barriocanal, J., Rivera-Calzada, A., Varela, M., Sefrioui, Z., Iborra, E., Leon, C., Pennycook, S.J., Santamaria, J.: Colossal ionic conductivity at interfaces of epitaxial ZrO2:Y2O3/SrTiO3 heterostructures. Science 321, 676–680 (2008) Pergolesi, D., Tebano, A., Fabbri, E., Balestrino, G., Licoccia, S., Traversa, E.: Pulsed lased deposition of superlattices based on ceria and zirconia. ECS Trans. 35, 1125–1130 (2010) Pergolesi, D., Fabbri, E., Cook, S.N., Roddatis, V., Traversa, E., Kilner, J.A.: Tensile lattice distortion does not affect oxygen transport in yttria-stabilized zirconia-CeO2 heterointerfaces. ACS Nano (2012). doi:10.1021/nn302812m Tebano, A., Balestrino, G., Lavanga, S., Martellucci, S., Medaglia, P.G., Paoletti, A., Pasquini, G., Petrocelli, G., Tucciarone, A.: Reflection high-energy electron diffraction oscillations during epitaxial growth of artificially layered films of (BaCuOx)m/(CaCuO2)n. Physica C 355, 335–340 (2001)