بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، پودر Ba0.5 Sr0.5Co0. 8Fe0.2O3-δ - BSCF - با هدف استفاده به عنوان کاتد پیل سوختی به روش سل- ژل ساخته شد. همچنین، لایههاي نازكBSCF روي زیر لایه SrTiO3 - STO - ، به روش لایه نشانی لیزر پالسی - - PLD در فشارهاي مختلف اکسیژن لایه نشانی شد. ساختار بلوري این نمونهها توسط پراش پرتوX - XRD - و مورفولوژي لایهها توسط میکروسکوپ نیروي اتمی - AFM - بررسی شد. اندازهگیري مقاومت الکتریکی به روش چهار نقطهاي مورد مطالعه قرار گرفت. مقاومت الکتریکی نمونهها از دماي اتاق تا دماي بیش از 600 ᵒC، در هوا انجام شد که نشاندهنده افت شدید مقاومت نسبت به مقدار اولیه بود.
مقدمه
پیلهاي سوختی ابزاري مؤثر براي تبدیل انرژي شیمیایی به انرژي الکتریکی هستند که به علت بازده بالا و آلودگی زیست محیطی و صوتی پایین توجه زیادي را به خود جلب کردهاند در بین انواع مختلف پیلهاي سوختی، پیل سوختی اکسید جامد - SOFC - با داشتن مزایایی از قبیل توان تبدیل انرژي بالا و همچنین امکان استفاده از انواع سوختها به واسطهي دماي کاري بالا، از اهمیت بسزایی برخوردار میباشد]٢.[ پیلهاي سوختی اولیه در دماي بالا - 800-1000 ᵒ C - کار می- کردند. هرچند دماي کاري بالا، در افزایش سرعت واکنشهاي الکترود و کاهش مقاومت اهمی پیل مفید است، احتمال انجام واکنشهاي مضر بین اجزاء پیل، نیاز به استفاده از روابط میانی فلزي گران قیمت را بیشتر میکند. بنابراین تلاش براي کاهش دماي کاري این نوع پیل سوختی، بطوریکه از عملکرد آن کاستهنشود، افزایش یافته است. یکی از راههاي کاهش دما انتخاب مواد جایگزین مناسب براي ساخت اجزاي پیل سوختی است. یکی از اجزاي اساسی پیل سوختی، کاتد است که مهمترین خاصیت آن رسانندگی الکترونی بالا و رسانندگی یونی کافی است. بعلاوه، الکترود پیل سوختی اکسید جامد باید ساختاري متخلخل داشته باشد تا واکنشدهندهها را به محلهاي واکنش منتقل کند کاهش دماي کاري SOFC تا 500-750ᵒ C اجازه انتخاب بیشتري را براي مواد کاتدي فراهم میکند. در بین انواع مختلف موادي که رسانندگی الکترونی ویونی آمیخته دارند، موادي با ساختار پروسکایتی ABO3 گونه خواص رسانندگی خوبی از خود نشان میدهند]٤.[ مطالعات متعدد روي موادي که رسانندگی الکترونی و یونی آمیخته دارند، BSCF را کاندیداي امیدبخشی براي کاتد پیل سوختی اکسید جامد دماي میانی معرفی نموده است یکی از روشهاي افزایش سطوح واکنش و در نتیجه کاهش مقاومت اجزاي پیل و بهبود عملکرد آن، ساخت آن بصورت لایه نازك است. لایهنشانی لیزر پالسی یکی از روشهاي مؤثر لایه- نشانی است. در این روش عوامل مختلفی چون دماي زیرلایه، انرژي لیزر و فشار اکسیژن بر خصوصیات فیزیکی لایه تأثیرگذار است. در این مقاله به بررسی تأثیر فشار اکسیژن روي خواص ماده کاتدي BSCF خواهیم پرداخت.
آماده سازي و تهیه نمونهها
در ابتدا نمونه پودري BSCF به روش سل- ژل ساخته شد.در این روش از نمکهاي نیتراتی ,Sr - NO3 - 2 ,Ba - NO3 - 2
EDTA ,Co - NO3 - 2 ,Fe - NO3 - 3 و اسید سیتریک براي ساخت ماده استفاده شد. ساختار بلوري نمونه توسط دستگاه پراش پرتو X - XRD - با طول موج 1/5469Å از چشمهي CUKα مدل - XPERT - ، مطالعه شد. پس از ساخت هدف متشکل از پودر BSCF فوق لایه نازكهاي BSCF به روش لایه نشانی لیزر پالسی - PLD - بر روي زیرلایههاي STO - 100 - در گسترهي دمایی 500 تا 700 ᵒ C ودر فشارهاي در فشارهاي 100، 200و 300 mTorr اکسیژن، لایهنشانی شدند. در ابتدا محفظه تا فشار زمینهي 1/5×10-5 Torr خلأ و سپس گاز اکسیژن وارد محفظه شد. پرتو یک لیزر اگزایمر - KrF - ، با طول موج 248 nm و انرژي حدود 360 mj . Pulse-1 بر روي هدف در درون محفظه متمرکز شد. فاصله هدف تا زیر لایه ثابت و برابر 65mm میباشد. بررسی توپوگرافی و زبري سطح لایهها توسط میکروسکوپ نیروي اتمی - AFM - مدل Veeco صورت گرفت. اندازهگیري مقاومت برحسب دما به روش چهار نقطهاي براي نمونه پودري و لایه نازكها تا دماي کاري پیل سوختی انجام شد.
بحث و نتایج
خواص ساختاري
شکل - 1 - الگوي XRD نمونه پودري BSCF همراه با اندیسهاي میلر و لایههاي تهیه شده در فشارهاي مختلف را نشان میدهد. با استفاده از تحلیل دادهها با نرمافزار Full-Prof مشخص شد که نمونهي پودري تک فاز و داراي ساختار پروسکایت مکعبی است و در گروه فضایی pm-3m قرار دارد. پارامتر شبکه بدست آمده، a= 3/9875Å میباشد.
شکل.1 نقش پراش پرتو X نمونهي پودري و لایه نازكهاي BSCF تهیه
شده در فشارهاي مختلف اکسیژن
از مقایسهي طیف XRD لایههاي نازك با نمونهي پودري، مشاهده میشود که جهت رشد لایهها در جهت بلوري زیرلایه - l00 - است. همچنین با افزایش فشار اکسیژن، شدت پیک-هاي نمونه نسبت به پیکهاي زیرلایه افزایش یافته که بیانگر افزایش بلوري شدن نمونه با افزایش فشار اکسیژن است.
خواص مورفولوژي
به منظور بررسی تأثیر فشار اکسیژن روي خواص سطحی لایه نازكها، از تصویر برداري میکروسکوپ نیروي اتمی استفاده شد.تصاویر AFM مربوط به لایههاي تهیه شده در فشارهاي 100،200 و 300 mTorr در شکل - 2 - نشان داده شده است. افزایش تخلخل سطح و در نتیجه بهبود خاصیت کاتدي فیلم شود.
جدول - 1 - زبري سطح لایهها - RMS - را در فشارهاي مختلف نشان میدهد. این مقادیر نیز بیانگر افزایش زبري سطح در نتیجهي افزایش فشار است، که مؤید افزایش تخلخل لایه نازكها با افزایش فشار است.
جدول . 1 میزان زبري سطح لایه نازكهاي BSCF در فشارهاي
مختلف
شکل.2 تصاویر AFM مربوط به لایههاي نازك تهیه شده در فشارهاي
مختلف اکسیژن
همانطور که مشاهده میشود، سطح لایهها از جزایر به هم پیوسته تشکیل شده است که با افزایش فشار، هم اندازه و هم ارتفاع دانهها افزایش یافته است.
خواص الکتریکی
براي مطالعه خواص الکتریکی نمونهها، مقاومت الکتریکی نمونهي پودري و لایههاي نازك نسبت به دما به روش چهار نقطه- اي اندازهگیري شد. شکل - - 3 نشان دهندهي نمودار مقاومت برحسب دما - پس از پنج سیکل حرارتی - در طی عملیات گرم وسرد کردن نمونهي پودري از دماي اتاق تا دماي 600 ᵒ C را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود با افزایش دما مقاومت نمونه به طور چشمگیري کاهش مییابد. چنین رفتاري ناشی از رقابت بین بار تهی جاهاي اکسیژن و مکانیسم جبران بار حاملهاي بار حفره در BSCF است که ساختار پروسکایتی ABO3 دارد.[2] همانطور که شکل نشان میدهد، نمودار هاي مربوط به گرم و سرد کردن نمونه بر هم منطبق شده که نشاندهندهي پایداري حرارتی سیستم است. در شکل - 4 - نمودار مقاومت لایهها برحسب دما نشان داده شده است. در مورد لایههاي نازك BSCF دیده میشود که با افزایش فشار اکسیژن در حین لایهنشانی، نمونههایی با مقاومت اولیهي کمتر بدست میآید. تفاوت در مقاومت الکتریکی با افزایش دما همچنان رفتار خود را حفظ میکند. کاهش شدید مقاومت ناشی از افزایش دما را میتوان به مکانیسم جهش پلارونی آدیاباتیک نسبت داد.
معادلهي آرنیوس براي رسانش توسط پلارونهاي کوچک به شکل زیراست:
