Medžiagos ir mikrostruktūros kietojo oksido kuro mikroelementams

Autor: Sakaliūnienė, Jolita
Přispěvatelé: Tamulevičius, Sigitas
Jazyk: litevština
Rok vydání: 2017
Předmět:
Popis: Disertacijoje nagrinėjamos kietojo oksido kuro mikroelemento (µ-KOKE) konstrukcinių elementų – elektodų (anodo ir katodo) bei elektrolito medžiagų ir plonų sluoksnių savybės, taip pat pateikiami µ-KOKE gamybos technologiniai etapai, pritaikant mikroelektromechaninių sistemų (MEMS) technologijas. Disertacijoje bendrojo nusodinimo sintezės ir impregnavimo metodais buvo susintetintos įvairių koncentracijų cirkonio oksido stabilizuoto itrio oksidu (YSZ) ir cerio oksido legiruoto gadolinio oksidu (GDC) mikro ir nanostruktūros – keramikos, panaudotos μ-KOKE plonų elektrolito sluoksnių formavimui garinimu elektronų pluošteliu. Atlikti išsamūs keramikų ir plonų sluoksnių tyrimai. Nustatytas stechiometrijos kitimas plonuose elektrolito sluoksniuose, atsižvelgiant į garinimo elektronų pluošteliu procese naudojamo taikinio (keramikos) pradinę sudėtį. Pastebėta, kad plonų sluoksnių stechiometrijos nuokrypiai gali siekti daugiau kaip 30 %. Taip pat išmatuoti kietųjų elektrolitų keramikų ir sluoksnių, suformuotų ant aliuminio oksido ir SiO2/Si padėklų, impedanso spektrai. Plonų sluoksnių impedanso tyrimams buvo taikytos kelių konfigūracijų Pt elektrodų formavimo metodikos. Darbe suprojektuoti ir pagaminti fotošablonai, sukurta ir patikrinta μ-KOKE gamybos technologija. Technologinis procesas apėmė dvipusę fotolitografiją, magnetroninį μ-KOKE platinos (Pt) elektrodų dulkinimo procesą, YSZ ir GDC plonų elektrolito sluoksnių formavimą, gilųjį reaktyvųjį silicio joninį ėsdinimą bei membraninės struktūros atskyrimą. Plonų elektrolitinių sluoksnių formavimui buvo naudotas garinimo elektronų spindulio pluoštu metodas. Sukurta μ-KOKE bandomojo pavyzdžio gamybos technologija tyrimo eigoje buvo modifikuota, vietoje atvirkštinės litografijos taikant tiesioginio platinos katodo ir elektrolito ėsdinimo Ar+ jonų pluošteliu technologiją. Taikant šią technologiją, buvo pagaminti bandomieji kietojo oksido kuro mikroelemento AEK (anodas-elektrolitas-katodas) (angl. k. Positive Electrode-Electrolyte-Negative electrode, PEN) elektrodų membranos pavyzdžiai. Suformuotos kuro celės diametras buvo 2,4 mm, elektrolito storis apie 600 nm, o bendras elemento storis – 1000 nm (1 µm). Šiame darbe parinkti μ-KOKE bandomojo pavyzdžio membraninės struktūros elementų (apatinio ir viršutinio elektrodo ir elektrolito) gamybos technologiniai parametrai. Nustatyta, kad magnetroninio dulkinimo proceso metu keičiant argono dujų slėgį ir naudojant papildomą terminį apdirbimą, galima suformuoti reikiamos struktūros, morfologijos ir porėtumo elektrodus (anodą ir katodą). Buvo nustatyta, kad 15 minučių 600 °C temperatūroje atkaitinus Pt elektrodus, suformuotus prie 0,065 Pa argono dujų slėgio, susidaro nanoporos, kurios “neužsidaro” po poveikio 800 °C temperatūroje, netgi ilginant atkaitinimo trukmę. Taip pat parinkti tokie PEN trisluoksnės struktūros gamybos parametrai ir papildomas terminis apdirbimas, kad struktūra atitiktų bendrus mechaninio, terminio stabilumo, reikiamų struktūrinių ir elektrinių savybių reikalavimus.
This dissertation is dedicated to the development and improvement of the µ-SOFC manufacturing process by applying microelectromechanical system (MEMS) technologies with respect to the properties of µ-SOFC construction elements, such as electrode (anode and cathode), as well as electrolyte materials and thin films. The co-precipitation synthesis and incipient wetness impregnation methods were tailored for the synthesis of YSZ and GDC micro- and nanostructures (ceramics), further used as a target in the electron beam evaporation technique for the deposition of µ-SOFC electrolyte thin films. A prehensive study of ceramics and thin films was performed and presented. The deviation of stoichiometry in the evaporated thin films, compared to the original target (ceramics) composition, was observed. It was shown that stoichiometry deviations in thin films may reach more than 30%. Synthesized oxygen vacancy conducting ceramics and thin films evaporated on Al2O3 and SiO2/Si substrates have been studied by impedance spectroscopy. In order to investigate electrical properties of electrolyte thin films, several configurations of the Pt electrode were applied. The photomasks were designed and produced. Also the design of geometry and technological route of µ-SOFC manufacturing process was developed and tested. The photomasks were fabricated from chromium and soda lime glass. The manufacturing process involved back-side photolithography, magnetron sputtering of platinum thin films, electron beam evaporation of YSZ or GDC electrolyte, deep reactive ion etching of silicon, and, finally, the release of free-standing membrane. The technological route of the micro-solid oxide fuel cell was modified during an investigation using direct Ar+ ion beam etching of platinum and YSZ or GDC electrolyte thin films instead of lift-off lithography technique. Test samples of the µ-SOFC three-layered structure, sometimes called PEN (Positive electrode-Electrolyte-Negative electrode) membrane structures, were fabricated. The cell diameter was about 2.4 mm with the electrolyte and total cell thickness of about 600 and 1000 nm, respectively. Suitable conditions and technological parameters for the manufacturing of μ-SOFC test sample were chosen. It was determined that the formation of positive/negative Pt electrode with appropriate properties, such as structure, morphology and porosity, is possible through controlling both deposition conditions (argon gas pressure in the chamber) during the magnetron sputtering process and by applying additional thermal treatment. It was found that Pt electrodes sputtered at 0.065 Pa argon gas pressure in the chamber and thermally treated at 600°C for 15 min reveal nanopores, which remain open after exposure at 800°C, even with increasing annealing duration. Thus, optimal conditions and additional thermal treatment were employed in order to create a PEN structure exhibiting the required mechanical, thermal stability, structural, and electrical properties.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: