Optymalizacja struktury cienkich warstw Bi2O3 domieszkowanych Er wytwarzanych techniką PLD

• Autorzy: Kąc S. , Cieniek Ł. , Moskalewicz T.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2015.6.26

Warianty tytułu

EN

Optimization of the structure of Er doped Bi2O3 thin films prepared by the PLD technique

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań nad funkcjonalnymi cienkimi warstwami Bi2O3 domieszkowanymi Er3+, wytworzonymi techniką ablacji laserowej. Eksperyment przeprowadzono z zastosowaniem zoptymalizowanych parametrów procesu PLD, takich jak: energia impulsu, długość fali promieniowania laserowego, temperatura podłoża, atmosfera gazu roboczego i odległość target–substrat. Wnikliwej analizie poddano strukturę, skład chemiczny, skład fazowy oraz morfologię wytworzonych warstw tlenkowych z wykorzystaniem takich technik badawczych, jak: skaningowa mikroskopia elektronowa, mikroskopia sił atomowych, spektroskopia EDS oraz rentgenowska analiza fazowa. W ramach badań przeprowadzono również pomiary grubości, nanotwardości i przyczepności warstw Bi2O3 domieszkowanych Er3+ do monokrystalicznego podłoża MgO. Uzyskane w ten sposób wyniki pozwalają stwierdzić, że jest możliwe „przeniesienie” składu stechiometrycznego na odpowiednio przygotowaną powierzchnię z materiału tarczy, a analiza składu fazowego pozwoliła na oszacowanie udziału wysokotemperaturowej fazy δ odpowiedzialnej za zwiększoną przewodność jonową. Analiza otrzymanych wyników pozwala na precyzyjny dobór optymalnych parametrów procesu PLD do wytwarzania cienkich warstw Bi2O3 z domieszką Er3+ stabilizującą fazę δ w niższej temperaturze.

EN

In this paper we present the results of research made for functional Er3+ doped Bi2O3 thin films, produced by the laser ablation technique. The experiment was performed using the optimized PLD process parameters, such as single pulse energy, laser radiation wavelength, the substrate temperature, the pressure of the working gas and the target–substrate distance. Thorough analyses of the structure, chemical and phase composition and morphology of oxide thin films were carried out using research techniques as follows: scanning electron microscopy, atomic force microscopy, EDS spectroscopy and X-ray phase analysis. The study of thickness measurements, nanohardness and adhesion of Er3+ doped Bi2O3 thin films for the single crystal MgO substrate were also performed. Thus obtained results allow to conclude that it is possible to „transfer” the stoichiometric composition of the target material to the prepared substrate and the XRD phase composition investigation revealed the presence of the high-temperature δ-Bi2O3 phase responsible for the increased ionic conductivity. Analysis of these results allows a precise selection of the optimal PLD process parameters for the preparation of high quality Er3+ doped Bi2O3 thin films stabilizing δ phase at lower temperature.

Słowa kluczowe

PL

warstwy wierzchnie; ablacja laserowa; PLD; tlenek Bi2O3 domieszkowany Er; wysokotemperaturowa faza δ-Bi2O3

EN

surface thin films; laser ablation; PLD; Bi2O3 oxide doped with Er; high temperature δ-Bi2O3 phase

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 36, nr 6
• Strony: 479--483
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kąc S.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej

autor

Cieniek Ł.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej

autor

Moskalewicz T.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej

Bibliografia

• [1] Lee K. T., Yoon H. S., Wachsman E. D.: The evolution of low temperature solid oxide fuel cells. J. Mater. Res. 27 (16) (2012) 2063÷2078.
• [2] Wu L., Jiang Z., Wang S., Xia C.: (La, Sr)MnO3–(Y, Bi)2O3 composite cathodes for intermediate-temperature solid oxide fuel cells. Int. J. Hydrog. Energy 38 (5) (2013) 2398÷2406.
• [3] Jiang N., Wachsman E. D., Jung S.-H.: A higher conductivity Bi2O3-based electrolyte. Solid State Ionics 150 (3-4) (2002) 347÷353.
• [4] Chan S. H., Chen X. J., Khor K. A.: A simple bilayer electrolyte model for solid oxide fuel cells. Solid State Ionics 158 (1-2) (2003) 29÷43.
• [5] Struzik M., Liu X., Abrahams I., Krok F., Malys M., Dygas J. R.: Defect structure and electrical conductivity in the pseudo-binary system Bi3TaO7– Bi3NbO7. Solid State Ionics 218 (2012) 25÷30.
• [6] Durmuş S., Çorumlu V., Çifci T., Ermis I., Arı M.: Electrical, structural and thermal properties of nanoceramic (Bi2O3)1−x−y(Ho2O3)×(Tm2O3)y ternary system. Ceram. Int. 39 (5) (2013) 5241÷5246.
• [7] Yaremchenko A. A., Kharton V. V., Naumovich E. N., Tonoyan A. A.: Stability of δ-Bi2O3-based solid electrolytes. Mater. Res. Bull. 35 (4) (2000) 515÷520.