IONIC CONDUCTIVITY OF E-BEAM DEPOSITED YTTRIUM STABILIZED ZIRCONIA THIN FILMS*
G. Laukaitis^a, J. Dudonis^a, O. Liukpetrytė^a, A.F. Orliukas^b, and D. Milčius^c
aPhysics Department, Kaunas University of Technology, Studentų 50, LT-51368 Kaunas, Lithuania
E-mail: giedrius.laukaitis@ktu.lt, julius.dudonis@ktu.lt
^bFaculty of Physics, Vilnius University, Saulėtekio 9, LT-10222 Vilnius, Lithuania
E-mail: antanas.orliukas@ff.vu.lt
^cLithuania Energy Institute, Breslaujos 3, LT-44403 Kaunas, Lithuania
E-mail: milcius@isag.lei.lt

Received 15 June 2007; revised 25 September 2007; accepted 21 November 2007

In the present study yttrium stabilized zirconia (YSZ) thin films were deposited on the Alloy-600 and optical quartz substrates using e-beam deposition technique with controlled deposition parameters: substrate temperature (T_s) and electron gun power (P) influencing the thin film deposition mechanism. The dependence of these parameters on thin film ionic conductivity, structure, and surface morphology was investigated by X-ray diffraction and scanning electron microscopy (SEM). It was found that electron gun power has the influence on the crystallite size, texture, and roughness of YSZ films. Dominating dispersion in the deposited YSZ thin films (substrate temperature T = 250 ^◦C, e-beam gun power P = 0.9 kW) relates to ionic transport in the crystallites in the measured frequency and temperature ranges. The measured values of conductivity and its activation energies are those typical of the polycrystalic ZrO₂–8 mol% Y₂O₃ compound. The conductivity values of crystallites of YSZ thin films and ceramics are similar. Differences are found only in thin films deposited at T = 250 ^◦C and P = 0.66 kW.

Keywords: YSZ thin films, ionic conductivity, solid oxide fuel cells (SOFC), electron beam deposition

ELEKTRONŲ PLUOŠTU UŽGARINTŲ ITRIU STABILIZUOTO CIRKONIO OKSIDO PLONŲJŲ SLUOKSNIŲ JONINIS LAIDUMAS
G. Laukaitis^a, J. Dudonis^a, O. Liukpetrytė^a, A.F. Orliukas^b, D. Milčius^c
aKauno technologijos universiteto Fundamentaliųjų mokslų fakultetas, Kaunas, Lietuva
^bVilniaus universiteto Fizikos fakultetas, Vilnius, Lietuva
^cLietuvos energetikos institutas, Kaunas, Lietuva

Norint sumažinti kuro elementų darbo temperatūrą iki 600–800 ◦C bei išlaikyti tą patį joninį laidumą kaip ir 1000 ^◦C temperatūroje (0,16 S/cm), yra mažinamas elektrolitų storis iki 1–2 μm. Cirkonio oksido, stabilizuoto itriu, (YSZ) deguonies jonų laidumas priklauso nuo daugelio faktorių, t. y. nuo temperatūros, itrio molinės koncentracijos, elektrolito darbo laiko, O_2– jonų koncentracijos, O_2– jonų difuzijos koeficiento, kristalitų dydžio bei nuo kristalografinės grūdelių padėties. Šiuos parametrus galima kontroliuoti, naudojant vakuuminius fizikinius dangų formavimo metodus.
YSZ ploni sluoksniai buvo nusodinami, elektroniniu spinduliu garinant tetragoninės fazės cirkonio oksido stabilizuoto 8 mol% itrio (8YSZ) 1,68 μm dalelių dydžio miltelius. Darbe nagrinėjama elektroninio spindulio galios ir padėklo temperatūros įtaka suformuotų plonų YSZ sluoksnių savybėms, kristalinei sandarai, kristalitų dydžiui bei mikrosandarai. YSZ sluoksniai (1,5–2 μm) buvo nusodinami ant skirtingos temperatūros (250, 400, 600 ^◦C) optinio kvarco (SiO2) padėklų, esant 0,66, 0,9, 1,05 ir 1,2 kW elektronų spindulio galiai. Ploni sluoksniai buvo analizuojami Rentgeno spindulių difrakcijos ir skenuojančios elektroninės mikroskopijos metodais bei buvo atlikti joninio laidžio matavimai. Nustatyta, kad, keičiant elektronų spindulio galią ir padėklo temperatūrą, galima kontroliuoti YSZ plonų sluoksnių kristalitų dydžius (vyrauja 12–46 nm dydžio kristalitai). Suformuotų plonų sluoksnių joninis laidis bei jo aktyvacijos energija gaunami artimi kaip ir YSZ keramikoms, suformuotoms kitais metodais.