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研究生:黃植健
論文名稱:以共濺鍍法合成釔安定型氧化鋯-銀混摻薄膜的微結構與性質分析
指導教授:周賢鎧
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:材料科技研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
中文關鍵詞:共濺鍍釔安定型氧化鋯薄膜
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本實驗以共濺鍍法將8YSZ與Ag濺鍍在一起形成3種不同銀濃度的8YSZ-Ag混合薄膜,部分試片在空氣氣氛下進行600°C持溫1小時的退火熱處理使得銀能在薄膜中析出。我們以XRD分析退火前後薄膜的結晶性與銀的析出狀態,並且利用退火之後Ag的繞射峰半高寬計算低銀濃度薄膜中銀析出的顆粒尺寸。我們以SEM觀察薄膜的表面型態與截面圖並以EDS分析相異銀濃度之混合薄膜的成分組成,得知銀含量由低往高依序為6.8%、24.0%、46.8%。然後,以TEM觀察銀析出的型態發現,經過退火後,銀含量為24%的混合薄膜中,銀是以分散均勻的微小顆粒存在,顆粒尺寸與經過XRD繞射峰半高寬計算出來的估計值相仿,而其他試片中銀的析出是較為雜亂不均的。
中文摘要 I
英文摘要 II
致謝 III
目錄 IV
圖索引 VII
表索引 XI
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 2
2.1氣體感測器與固態氧化物燃料電池 2
2.2固態電解質 3
2.2.1離子導電特性 3
2.2.2點缺陷 5
2.2.3缺陷反應方程式 6
2.2.4布勞爾近似解 7
2.2.5釔安定性氧化鋯 10
2.3電極材料 14
2.3.1電極的工作原理 14
2.3.2離子-電子混合導體電極 16
2.3.3銀混摻的微結構 18
2.3.4金屬-YSZ 金屬陶瓷 19
2.4濺鍍原理 20
2.4.1磁控濺鍍 21
2.4.2射頻濺鍍 21
2.4.3反應式濺鍍 21
2.4.4共濺鍍 22
2.5交流阻抗分析 23
第三章 實驗方法及步驟 26
3.1 工作物件與藥品及其規格 26
3.2 實驗與儀器設備 27
3.3 實驗裝置 28
3.3.1 磁控式共濺鍍系統 28
3.4實驗步驟 30
3.4.1 矽晶片基材 31
3.4.2 8YSZ與Ag的沉積速率 31
3.4.3 沉積8YSZ-Ag混合薄膜 32
3.4.4 退火熱處理 33
3.4.5 製備8YSZ固態電解質 33
3.4.6 於8YSZ固態電解質上濺鍍混合薄膜電極 34
3.5儀器分析 39
3.5.1 掃描式電子顯微鏡(SEM) 39
3.5.2 X-ray繞射儀(XRD) 40
3.5.3 穿透式電子顯微鏡(TEM) 41
3.5.4 交流阻抗分析儀 42
第四章 結果與討論 43
4.1以XRD決定混合薄膜之退火熱處理溫度 45
4.2混合薄膜的SEM圖與EDS 46
4.2.1 8YSZ薄膜的SEM圖 46
4.2.2 8YSZ-Ag混合薄膜的SEM圖 46
4.2.3 8YSZ-Ag混合薄膜的EDS 47
4.2.4 8YSZ-Ag濃度梯度薄膜的SEM圖 48
4.3 8YSZ-Ag混合薄膜的XRD 60
4.4 8YSZ-Ag混合薄膜的TEM觀察 65
4-5 指叉電極與8YSZ固態電解質結構的觀測 68
4-6 交流阻抗分析 71
第五章 結論與展望 72
參考文獻 73
圖索引
圖2-1 缺陷濃度隨氧分壓變化之指數型對應圖。 9
圖2-2 氧化鋯添加氧化釔之相圖。 12
圖2-3 氧化鋯的三種同質異形體。
(a)Cubic (b)Tetragonal (c)Monoclinic 13
圖2-4 電極反應路徑示意圖。 15
圖2-5 電極分別為電子導體與離子-電子混合導體的示意圖 17
圖2-6 枝狀Ag伸入電解質示意圖。 17
圖2-7 文獻中Ag於LSMO薄膜中析出之TEM圖。 18
圖2-8 文獻中Ag於膠狀二氧化矽中聚集之TEM圖。 18
圖2-9 未退火與已退火(800°C-1hr)的膜其電阻係數與Ag含量比例的關係。 19
圖2-10 Ag-YSZ金屬陶瓷界面電阻與操作溫度的關係圖。 19
圖2-11 濺鍍過程中,入射離子與被濺射出來的粒子。 20
圖2-12 一般電解質型感測器之理論複合阻抗分析圖。 24
圖2-13 在598K、空氣氣氛下,(a)Ag薄膜電極以及
(b)Ag-10mol%YSZ混合薄膜電極的阻抗分析圖。 25
圖2-14 文獻中50%Ag-YSZ電極在測量阻抗時的元件配置圖。 25
圖3-1 磁控共濺鍍系統示意圖 29
圖3-2 實驗流程圖 30
圖3-3 鋯-釔金屬靶反應式濺鍍RF200W時薄膜沉積時間v.s
膜厚度關係圖 35
圖3-4 濺鍍銀時3種濺鍍功率所得到的沉積時間v.s膜厚度
關係圖 35
圖3-5 共濺鍍具有濃度梯度YSZ-Ag混合薄膜時的時間v.s
銀靶濺鍍功率。 36
圖3-6 在Si晶片基材上沉積8YSZ-Ag混合薄膜之截面示意圖 36
圖3-7 8YSZ生胚燒結升溫曲線 37
圖3-8 8YSZ粉末粒徑分析圖 37
圖3-9 指叉電極光罩圖案 38
圖3-10 沉積指叉電極流程圖 38
圖3-11 X-ray於晶體內繞射的示意圖。 40
圖3-12 完整掃瞄穿透式電子顯微鏡剖面圖例 41
圖4-1 8YSZ-Ag混合薄膜在不同的退火溫度下的XRD 45
圖4-2 反應式濺鍍8YSZ薄膜的(a)未退火與(b)已退火的SEM
表面型態圖 50
圖4-3 反應式濺鍍8YSZ薄膜(a)未退火與(b)已退火的SEM
截面圖 51
圖4-4 (a)試片A(鍍膜後未做其他處理)與(b)試片B(鍍膜後進行
600°C持溫1小時的退火熱處理)的SEM表面型態圖。
共濺鍍功率:Zr-Y靶為RF 200W,Ag靶為DC 4W,
濺鍍時間73分鐘。 52
圖4-5 (a)試片A與(b)試片B的薄膜截面圖 53
圖4-6 (a)試片C(鍍膜後未做其他處理)與(b)試片D(鍍膜後進行
600°C持溫1小時的退火熱處理)的SEM表面型態圖。
共濺鍍功率:Zr-Y靶為RF 200W,Ag靶為DC 7W,
濺鍍時間63分鐘。 54
圖4-7 (a)試片C與(b)試片D的薄膜截面圖 55
圖4-8 (a)試片E(鍍膜後未做其他處理)與(b)試片F(鍍膜後進行
600°C持溫1小時的退火熱處理)的SEM表面型態圖。
共濺鍍功率:Zr-Y靶為RF 200W,Ag靶為DC 12W,
濺鍍時間43分鐘。 56
圖4-9 (a)試片E與(b)試片F的薄膜截面圖 57
圖4-10 8YSZ-Ag濃度梯度薄膜(a)未退火與(b)已退火的SEM
表面型態圖 58
圖4-11 8YSZ-Ag濃度梯度薄膜(a)未退火與(b)已退火的SEM
截面圖 59
圖4-12 8YSZ薄膜(a)退火前與(b)退火後的XRD圖 62
圖4-13 鋯-釔靶與銀靶的反應式共濺鍍沉積8YSZ-Ag混合薄
膜之X-ray繞射圖。 63
圖4-14 試片B的TEM影像圖 66
圖4-15 試片D的TEM影像圖 66
圖4-16 試片F的TEM影像圖 67
圖4-17 8YSZ disc的X-ray繞射圖 68
圖4-18 指叉電極沉積於8YSZ disc之上視圖 69
圖4-19 指叉電極的SEM表面型態圖。(a)2,000倍與(b)50,000倍 69
圖4-20 指叉電極的SEM截面圖 70
圖4-21 基材為8YSZ disc,以Zr-Y靶RF200W與Ag靶4W
共濺鍍73分鐘,最後並濺鍍上4000Å純銀指叉電極
之工件的交流阻抗分析圖譜。 71
表索引
表3-1 工作物件與藥品及其規格 26
表3-2 實驗與儀器設備 27
表3-3 濺鍍條件 32
表3-4 不同銀靶濺鍍功率的濺鍍時間與預估的Ag體積百分比 33
表3-5 交流阻抗分析操作的條件 42
表4-1 6種試片的處理條件 44
表4-2 未退火薄膜之組成-1 49
表4-3 未退火薄膜之組成-2 49
表4-4真實塊材的多晶8YSZ與濺鍍SiO2/Si(100)上的8YSZ
薄膜之繞射峰相對強度比較。 62
表4-5 實驗與JCPD CARD之間Cubic YSZ與Ag的XRD
繞射峰對照表 64
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41. 汪建民 主編,“材料分析”,中國材料科學學會,第137、138頁,民國87年。
42. 汪建民 主編,“材料分析”,中國材料科學學會,第178頁,民國87年。
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