采用脈沖激光沉積法，在單側(cè)拋光的STO基底上制備YSZ/STO/YSZ 超晶格薄膜。利用X 射線衍射、掃描電鏡和射頻阻抗/材料分析儀對(duì)多層膜的物相結(jié)構(gòu)、表面形貌以及電學(xué)特性等進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，YSZ/STO/YSZ 超晶格薄膜在300 ～500℃之間，其電導(dǎo)活化能最小值為0.76 eV，在300℃時(shí)測(cè)得的電導(dǎo)率比體材料的電導(dǎo)率提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　固體氧化物燃料電池( SOFC) 作為一種高效清潔的能源轉(zhuǎn)化裝置，可以將燃料燃燒的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。由于其高效、低污染等諸多優(yōu)點(diǎn)正日益受到廣泛重視。決定SOFC性能的最主要因素是電解質(zhì)材料離子電導(dǎo)率的大小，目前在SOFC中應(yīng)用最普遍是釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ) 電解質(zhì)。YSZ 在高溫(≥900℃) 下有良好的離子電導(dǎo)性和化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的機(jī)械性能。

　　因此SOFC 須在高溫(900 ～1000℃) 下運(yùn)行。如此高的工作溫度，導(dǎo)致電極材料的選擇范圍受到了限制，并且大大降低了SOFC的使用壽命和電池材料的穩(wěn)定性。如果將電池的工作溫度降至600 ～800℃( 所謂中溫) ，或者更低溫度300 ～500℃(低溫) ，或者室溫，就可避免電池組件間的相互作用及電極的燒結(jié)退化，電池壽命也可望延長(zhǎng)幾十倍，可以大大提高電池的效率和降低生產(chǎn)成本。

　　降低SOFC的工作溫度的方法大多采用薄膜技術(shù)，將YSZ膜厚度降低為10 ～100 μm，在500 ～700℃的中溫范圍內(nèi)工作。2006 年，Joo 等報(bào)道了YSZ 薄膜電解質(zhì)可提高電導(dǎo)率，Bailly 等通過(guò)靜電噴涂沉積法獲得500 nm 厚的YSZ 薄膜電解質(zhì)，其電導(dǎo)率低于體材料的電導(dǎo)率，Garbayo 等研究了YSZ薄膜電解質(zhì)與無(wú)支撐結(jié)構(gòu)的YSZ厚膜相比，其電導(dǎo)率增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　本文中，在單側(cè)拋光的SrTiO3(STO) 單晶襯底上制備總厚度為600nm 的螢石結(jié)構(gòu)和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)交迭兩個(gè)周期形成三層YSZ/STO/YSZ 超晶格電解質(zhì)薄膜，這是一種新型的電解質(zhì)，由于交迭層晶格失配導(dǎo)致超晶格界面區(qū)存在大量氧離子空位，從而形成更多氧離子通過(guò)的開(kāi)放通道，而不必由一個(gè)原子傳送給另一個(gè)原子，以期這類超晶格電解質(zhì)材料在低溫下具有更好的離子導(dǎo)電性。

　　1、實(shí)驗(yàn)

　　采用中科院沈陽(yáng)科學(xué)儀器廠生產(chǎn)的PLD-450型脈沖激光濺射儀，腔室內(nèi)裝有四個(gè)獨(dú)立靶位，激光器為美國(guó)相干公司(Coherent Inc. ) 生產(chǎn)的COMPexPro201型脈沖準(zhǔn)分子激光器，濺射靶材采用高純YSZ( 0.08Y2O3：0.92ZrO2) 靶材和STO 靶材(純度為99.99%) 。將YSZ 靶材、STO靶材和STO襯底固定在相應(yīng)樣品架上，襯底和YSZ靶材距離為5 cm，激光器工作模式為恒壓26 kV，激光能量在650 ～690 mJ，頻率為5 Hz。在STO襯底上交替燒蝕YSZ靶材和STO靶材形成YSZ/STO/YSZ超晶格電解質(zhì)薄膜，沉積溫度分別為400，500，600 和700℃，濺射次數(shù)分別為104次，燒蝕前需除去靶材表面氧化層和其它雜質(zhì)，然后打開(kāi)擋板濺射，通過(guò)調(diào)節(jié)激光的能量以及脈沖次數(shù)來(lái)控制薄膜的厚度，通過(guò)調(diào)整高純Ar 和O2氣體流量比來(lái)達(dá)到所需濺射氧氣含量，氧分壓5 Pa，然后將樣品在1000℃下熱處理2 h。為討論問(wèn)題方便起見(jiàn)，分別將不同沉積溫度的樣品編號(hào)如表1。

表1 不同沉積溫度的樣品編號(hào)

　　采用X 射線衍射儀(XRD，D8-ADVANCE型，德國(guó)BRUKDR) 進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)分析，輻射源為CuKα線，電壓40.0 kV，電流50mA，掃描范圍2θ：10° ～80°，掃描速率10° /min，利用掃描電子顯微鏡(SEM，S-4800 型，日立) 觀察薄膜表面和橫斷面形貌，利用Agilent 4291B 型射頻阻抗/材料分析儀測(cè)試YSZ /STO/YSZ 超晶格電解質(zhì)薄膜交流阻抗譜。

　　3、結(jié)論

　　采用PLD技術(shù)在單側(cè)拋光的STO單晶基底上成功地沉積了致密的YSZ/STO/YSZ 超晶格電解質(zhì)薄膜，并對(duì)其物相、表面形貌、截面形貌及電學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試分析得出以下結(jié)論：

　　(1) 使用PLD技術(shù)在STO單晶基底上沉積厚度約為600nm 的致密YSZ/STO/YSZ超晶格電解質(zhì)薄膜，在(111) 晶向上擇優(yōu)生長(zhǎng)。沉積溫度為600℃時(shí)，薄膜具有最佳的結(jié)晶度。

　　(2) 在溫度350 ～500℃范圍內(nèi)，YSZ/STO/YSZ超晶格電解質(zhì)薄膜電導(dǎo)活化能分別為0.81，0.79，0.76，0.77 eV，比YSZ 體材料的活化能明顯減小，在300℃時(shí)測(cè)得的電導(dǎo)率比體材料提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)，是較好的低溫固體燃料電池電解質(zhì)。