一种双离子掺杂氧化铈缓冲层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高温超导材料技术领域，具体涉及一种双离子掺杂氧化铈缓冲层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]二氧化铈属于立方晶系，具有萤石结构，其空间点群符号是Fm_3m，其晶格常数是
5.411A。二氧化铈被广泛应用于催化材料、固体燃料电池的电解质材料等，同时由于二氧化铈具有热稳定性高、化学稳定性良好、以及与YBC0的晶格失配度小等优点，是一种极其良好的涂层导体缓冲层材料。
[0003]为了提高二氧化铈材料的性能，研究人员通过掺杂各种稀土元素进一步改善二氧化铈的离子电导率、调节晶粒的形貌、抑制二氧化铈薄膜的裂纹等。其中，最具特色的是钆掺杂二氧化铈材料，通过引入钆元素使得二氧化铈具有最高的离子电导率，可以用于中低温固体氧化物燃料电池中。通过引入钆元素可以有效抑制二氧化铈晶界运动的活化能，促进二氧化铈晶粒的外延生长。但是单一的钆稀土元素掺杂方法并不能很好的调节二氧化铈的晶格参数，无法进一步改善二氧化铈的表面平整度。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种双离子掺杂氧化铈缓冲层，该缓冲层具有锐利的立方取向，表面光滑平整、无裂纹，有利于外延生长超导层。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种双离子掺杂氧化铈缓冲层，其特征在于，该缓冲层的化学组成为:(CeasGda2)! xRx0y，其中X的取值为0.01?0.2，R为Zr 或 Mn ο
[0006]上述的一种双离子掺杂氧化铈缓冲层，其特征在于，所述R为Zr或化合价为正四价的 Mn 时，y = 1.9+0.1x0
[0007]上述的一种双离子掺杂氧化铈缓冲层，其特征在于，所述X的取值为0.04?0.1。
[0008]上述的一种双离子掺杂氧化铈缓冲层，其特征在于，所述X的取值为0.05。
[0009]另外，本发明还公开了一种制备上述双离子掺杂氧化铈缓冲层的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0010]步骤一、将铈的有机盐、钆的有机盐和R的有机盐按照Ce:Gd:R =0.8(l-x):0.2(l-x):x的摩尔比溶解于丙酸中，得到金属离子摩尔浓度为0.lmol/L?lmol/L的前驱液；
[0011]步骤二、采用旋涂的方式将步骤一中所述前驱液涂敷于NiW金属基带上，然后将涂敷有前驱液的NiW金属基带置于管式炉中，在还原性气氛保护下，以20°C /min?200°C /min的升温速率将管式炉的炉内温度升至950°C?1050°C，保温热处理0.5h?lh，随炉冷却后在NiW金属基带表面得到双离子掺杂氧化铈缓冲层。
[0012]上述的方法，其特征在于，步骤一中所述铈的有机盐为乙酸铈或丙酸铈，所述钆的有机盐为乙酸钆或丙酸钆，所述R的有机盐为乙酰丙酮锆、乙酸锰或乙酰丙酮锰。
[0013]上述的方法，其特征在于，步骤二中所述旋涂的转速为100rpm?6000rpm，旋涂的时间为1s?60s。
[0014]上述的方法，其特征在于，步骤二中所述还原性气氛为氩气与氢气的混合气氛，所述混合气氛中氢气的体积百分含量为0.1%?4%。
[0015]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0016]1、本发明中稀土元素Gd能起到抑制晶界活化能的作用，但是Gd对二氧化铺的晶格调控能力较弱，通过稀土元素Gd和过渡金属元素Mn或Zr混合掺杂可以提高二氧化铈与NiW金属基带衬底的晶格匹配能力，调节二氧化铈的晶格参数，更易取向形核和生长，因此采用稀土元素和过渡金属元素混合掺杂的方式，能够优化调节二氧化铈的晶格参数，促进二氧化铈的异质外延生长，提高缓冲层的织构度，当缓冲层与NiW金属基带衬底更加匹配时，缓冲层的结构织向更加锐利。
[0017]2、本发明制备的缓冲层具有锐利的立方取向，表面光滑平整、无裂纹，有利于外延生长超导层。
[0018]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0019]图1为本发明实施例1制备的(CeasGdaJa2Zra2O1^l冲层的x射线衍射扫描(XRD)图。
[0020]图2为本发明实施例1制备的(CeasGda2)a Jra2Oh92缓冲层表面形貌的原子力显微镜(AFM)图。
[0021]图3为对比例I制备的CeasGda2O1.^离子掺杂缓冲层表面形貌的原子力显微镜(AFM)图。
[0022]图4为本发明实施例2制备的(CeasGda2)a99Mna。从..缓冲层的x射线衍射扫描(XRD)图。
【具体实施方式】
[0023]实施例1
[0024]本实施例双离子掺杂氧化铈缓冲层的化学组成为:(CeasGda2)asZra2Ou2,其制备方法包括以下步骤:
[0025]步骤一、将铈的有机盐、钆的有机盐和R的有机盐按照Ce:Gd:R = 0.64:0.16:0.2的摩尔比溶解于丙酸中，得到金属离子摩尔浓度为0.lmol/L的前驱液；所述铈的有机盐为乙酸铈，所述钆的有机盐为乙酸钆，所述R的有机盐为乙酰丙酮锆；
[0026]步骤二、采用旋涂的方式将步骤一中所述前驱液涂敷于NiW金属基带上，然后将涂敷有前驱液的NiW金属基带置于管式炉中，在还原性气氛保护下，以20°C /min的升温速率将管式炉的炉内温度升至950°C，保温热处理lh，随炉冷却后在NiW金属基带表面得到(Ce。.8Gd0.2) ο.8Zr0.20L92缓冲层；优选地，所述旋涂的转速为lOOOrpm，旋涂的时间为60s，所述还原性气氛为氩气与氢气的混合气氛，所述混合气氛中氢气的体积百分含量为4%。
[0027]对比例I
[0028]本对比例单离子掺杂氧化铈缓冲层的化学组成为=CeasGda2O^其制备方法包括以下步骤:
[0029]步骤一、将铈的有机盐和钆的有机盐按照Ce:Gd = 0.8:0.2的摩尔比溶解于丙酸中，得到金属离子摩尔浓度为0.lmol/L的前驱液；所述铈的有机盐为乙酸铈，所述钆的有机盐为乙酸钆；
[0030]步骤二、采用旋涂的方式将步骤一中所述前驱液涂敷于NiW金属基带上，然后将涂敷有前驱液的NiW金属基带置于管式炉中，在还原性气氛保护下，以20°C /min的升温速率将管式炉的炉内温度升至950°C，保温热处理lh，随炉冷却后在NiW金属基带表面得到Ce。.Pda2Ou缓冲层；所述旋涂的转速为lOOOrpm，旋涂的时间为60s，所述还原性气氛为氩气与氢气的混合气氛，所述混合气氛中氢气的体积百分含量为4%。
[0031]从图1中可以看出实施例1制备的(CeasGda JasZra2Ou2缓冲层具有(002)取向峰，无(111)杂相峰，显示出锐利的双轴织构，且(CeasGdaJasZra2O1^l冲层的(002)取向峰明显向高角度移动，表明过渡金属离子Zr完全进入晶格，缓冲层晶格参数变小，与NiW金属基带衬底更加匹配，极大促进了缓冲层的外延生长。
[0032]从图2中可以看出实施例1制备的(CeasGda JasZra2Ou2缓冲层的微观晶粒均匀、表面平整无裂纹。从图3中可以看出，对比例I制备的Ce。.Wda2O1Jl冲层微观结构表明起伏不平整，存在缺陷。比较图2和图3可以看出，通过双金属离子掺杂可以改善氧化铈缓冲层薄膜的表面形貌，使其具有锐利的双轴织构和光滑平整的表面，有利于外延生长超导层。
[0033]实施例2
[0034]本实施例双离子掺杂氧化铈缓冲层的化学组成为:(CeuGcUgMnuAi，其制备方法包括以下步骤:
[0035]步骤一、将铈的有机盐、钆的有机盐和R的有机盐按照Ce:Gd:R =0.792:0.198:0.01的摩尔比溶解于丙酸中，得到金属离子摩尔浓度为lmol/L的前驱液；所述铈的有机盐为丙酸铈，所述钆的有机盐为丙酸钆，所述R的有机盐为乙酰丙酮锰；
[0036]步骤二、采用旋涂的方式将步骤一中所述前驱液涂敷于NiW金属基带上，然后将涂敷有前驱液的NiW金属基带置于管式炉中，在还原性气氛保护下，以100°C /min的升温速率将管式炉的炉内温度升至1050°C，保温热处理0.5h，随炉冷却后在NiW金属基带表面得到(CeasGda2)a99MnaQ1Oh916缓冲层;优选地，所述旋涂的转速为6000rpm，旋涂的