反应性双磁控溅射工艺参数对ZrO2 -Y2 O3 电解质性能的影响机制及SOFC应用研究

推荐：本研究针对固体氧化物燃料电池（SOFC）中YSZ电解质薄膜成分控制难题，通过反应性双磁控溅射（HiPIMS）技术共溅射单金属Zr/Y靶材，精准调控Y2 O3 含量至8 mol%，制备出5 μm致密电解质层。单电池测试显示1.05 V开路电压和868 mW/cm2 峰值功率密度，为工业化生产高性能薄膜电解质提供新策略。

　　

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为高效能源转换装置，其核心电解质材料——氧化钇稳定氧化锆（YSZ）的性能直接决定电池效率。传统工艺中，采用合金靶材溅射或射频磁控溅射制备YSZ薄膜面临成分偏差、靶材成本高、工艺不稳定等瓶颈。尤其工业化生产中，如何实现8 mol% Y₂
O₃
的精准调控并避免薄膜缺陷成为关键挑战。

俄罗斯科学院的研究团队在《Thin Solid Films》发表研究，创新性地采用反应性双磁控溅射技术，通过独立控制单金属Zr/Y靶材功率，在0.3 Pa工作气压下成功制备出Y₂
O₃
含量为8 mol%的5 μm厚YSZ薄膜。研究发现，放电峰值功率密度会诱发薄膜残余应力并导致表面起泡缺陷，通过优化参数可有效解决。基于该电解质组装的单电池在800°C氢-空气环境中实现1.05 V开路电压和868 mW/cm²
的优异性能，其导电性优于传统合金靶材制备的电解质。

关键技术包括：1）高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）系统实现单金属Zr/Y靶材共溅射；2）等离子体发射监测系统控制反应气体流量；3）X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析薄膜相结构与形貌；4）使用商业Ni-YSZ阳极支撑体（Kceracell Co.）进行电池性能测试。

YSZ薄膜制备
通过调节Y靶功率（300 W）与Zr靶功率（1000 W）比例，在中毒模式下获得理想化学计量比的立方相YSZ薄膜。能量色散X射线光谱（EDX）证实Y₂
O₃
含量精确控制在7.8-8.2 mol%区间。

单金属靶与合金靶对比
单金属靶溅射的YSZ薄膜氧离子电导率比Zr_0.85
Y_0.15
合金靶样品高15%，且避免了合金靶材成分不均导致的批次差异问题。

缺陷形成机制
HiPIMS放电过程中超过2 kW/cm²
的峰值功率密度会导致薄膜内应力积累，通过降低至1.5 kW/cm²
可消除表面起泡缺陷。

该研究证实单金属靶反应溅射在成分控制、成本效益和工艺稳定性方面的优势，为SOFC电解质的大规模生产提供可靠方案。特别值得注意的是，通过放电参数优化解决HiPIMS工艺特有的薄膜应力问题，这一发现对其他功能性氧化物薄膜制备具有普适性指导意义。研究获得俄罗斯科学基金会（项目24-29-00435）支持，相关技术已在Tomsk州立大学共享设备平台完成验证。