Luận án Tiến sĩ Vật lí: Các đặc tính khuếch tán và dẫn điện của các vật liệu oxit có cấu trúc fluorit

Mục đích của Luận án là nghiên cứu các đặc tính khuếch tán và dẫn điện của các vật liệu khối oxit có cấu trúc fluorit bằng cách đánh giá sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán và độ dẫn ion vào nhiệt độ, áp suất và nồng độ tạp chất. Mời các bạn cùng tham khảo!

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI LÊ THU LAM CÁC ĐẶC TÍNH KHUẾCH TÁN VÀ DẪN ĐIỆN CỦA CÁC VẬT LIỆU OXIT CÓ CẤU TRÚC FLUORIT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI, 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI LÊ THU LAM CÁC ĐẶC TÍNH KHUẾCH TÁN VÀ DẪN ĐIỆN CỦA CÁC VẬT LIỆU OXIT CĨ CẤU TRÚC FLUORIT Chun ngành: Vật lí Lí thuyết Vật lí Tốn Mã số: 9.44.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN THANH HẢI PGS TS BÙI ĐỨC TĨNH HÀ NỘI, 2020 i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc GS TS Vũ Văn Hùng, PGS TS Nguyễn Thanh Hải PGS TS Bùi Đức Tĩnh Sự hướng dẫn tận tụy động viên khích lệ thầy cô nguồn động lực to lớn cho tác giả suốt q trình hồn thành chương trình đào tạo làm luận án Thầy cô gương sáng đạo đức, tinh thần làm việc say mê nghiêm túc để tác giả học tập noi theo Tác giả xin trân trọng cảm ơn thầy giáo Khoa Vật lý Phịng Sau Đại học trực thuộc trường Đại học Sư phạm Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi trình học tập để tác giả hồn thành chương trình đào tạo luận án thời hạn Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm khoa Khoa học Tự nhiên Công nghệ đồng nghiệp trường Đại học Tây Bắc tạo điều kiện thuận lợi thời gian q trình cơng tác để tác giả hồn thành chương trình đào tạo luận án thời hạn Con xin bày tỏ lịng biết ơn vơ hạn Cha Mẹ cho nghị lực vượt qua khó khăn trở ngại Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người bạn đời trai Gia đình ln nguồn động lực to lớn cho tác giả đường nghiên cứu khoa học đầy gian nan thử thách Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận án Lê Thu Lam ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn trực tiếp PGS TS Nguyễn Thanh Hải PGS TS Bùi Đức Tĩnh Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa công bố cơng trình trước Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận án Lê Thu Lam Mục lục Lời cám ơn i Lời cam đoan ii Danh mục từ viết tắt v Danh mục bảng biểu vi Danh mục đồ thị, hình vẽ vii Mở đầu Chương Tổng quan đặc tính khuếch tán dẫn điện vật liệu oxit có cấu trúc fluorit 1.1 Các vật liệu oxit cấu trúc fluorit 1.1.1 Ceria zirconia 1.1.2 Ceria pha tạp yttria zirconia bền hóa yttria 11 1.1.3 Các màng mỏng oxit có cấu trúc fluorit 14 1.1.4 Ứng dụng 15 1.2 Một số phương pháp nghiên cứu chủ yếu 17 1.2.1 Phương pháp động lực học phân tử 17 1.2.2 Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ 19 1.2.3 Phương pháp Monte-Carlo 20 1.2.4 Phương pháp mô nguyên tử 21 1.2.5 Các phương pháp thực nghiệm 22 1.3 Các kết nghiên cứu 23 1.3.1 Các kết nghiên cứu vật liệu khối oxit có cấu trúc fluorit 23 1.3.2 Các kết nghiên cứu vật liệu màng mỏng oxit có cấu trúc fluorit 31 1.4 Phương pháp thống kê momen 35 Chương Nghiên cứu đặc tính khuếch tán dẫn điện ceria zirconia 40 2.1 Dao động phi điều hòa lượng tự Helmholtz 40 2.1.1 Dao động phi điều hòa 40 2.1.2 Năng lượng tự Helmholtz 45 iii iv 2.1.3 Phương trình trạng thái 2.2 Lý thuyết khuếch tán dẫn điện 49 49 2.2.1 Hệ số khuếch tán độ dẫn ion 49 2.2.2 Năng lượng kích hoạt nút khuyết oxi 51 2.3 Kết thảo luận 62 2.3.1 Thế tương tác 62 2.3.2 Hằng số mạng 64 2.3.3 Năng lượng kích hoạt nút khuyết oxi 65 2.3.4 Hệ số khuếch tán độ dẫn ion 68 Chương Nghiên cứu đặc tính khuếch tán dẫn điện ceria pha tạp yttria zirconia bền hóa yttria 72 3.1 Dao động phi điều hòa lượng tự Helmholtz 73 3.1.1 Dao động phi điều hòa 73 3.1.2 Năng lượng tự Helmholtz 76 3.2 Hệ số khuếch tán độ dẫn ion 80 3.2.1 Năng lượng liên kết nút khuyết - tạp chất 81 3.2.2 Năng lượng di chuyển nút khuyết oxi 85 3.3 Kết thảo luận 92 3.3.1 Hằng số mạng 93 3.3.2 Năng lượng kích hoạt nút khuyết oxi 94 3.3.3 Hệ số khuếch tán độ dẫn ion 102 Chương Nghiên cứu đặc tính khuếch tán dẫn điện màng mỏng ceria pha tạp yttria zirconia bền hóa yttria 108 4.1 Dao động phi điều hòa lượng tự Helmholtz 109 4.1.1 Dao động phi điều hòa 109 4.1.2 Năng lượng tự Helmholtz 115 4.2 Hằng số mạng, hệ số khuếch tán độ dẫn ion 119 4.3 Kết thảo luận 121 4.3.1 Hằng số mạng 121 4.3.2 Hệ số khuếch tán độ dẫn ion 125 Kết luận chung 132 Danh mục cơng trình cơng bố liên quan đến luận án 134 Tài liệu tham khảo 135 Phụ lục 151 v Danh mục từ viết tắt TT Viết tắt Diễn giải fcc Mạng lập phương tâm diện cpp Xếp chặt lập phương m Đơn tà t Tứ giác c Lập phương PPTKMM Phương pháp thống kê momen TN Thực nghiệm SOFC Pin nhiên liệu oxit rắn YDC Ceria pha tạp yttria 10 YSZ Zirconia bền hóa yttria 11 MD Động lực học phân tử 12 DFT Lý thuyết phiếm hàm mật độ 13 PAW Phương pháp sóng tăng tốn tử chiếu 14 MC Monte-Carlo 15 VASP Vienna Ab initio Simulation Package 16 KMC Kinetic Monte-Carlo 17 DMC Dynamical Monte-Carlo 18 QMC Quantum Monte-Carlo 19 CVD Kết tủa hóa học 20 PLD Kết tủa laze bơm 21 MOCVD Kết tủa hóa học hữu kim loại 22 LCVD Kết tủa hóa học laze 23 MBE Epitaxi chùm phân tử 24 1NN Vị trí lân cận gần thứ 25 2NN Vị trí lân cận gần thứ hai 26 3NN Vị trí lân cận gần thứ ba vi Danh mục bảng biểu Trang Bảng 2.1 Các tham số tương tác CeO2 c-ZrO2 64 Bảng 2.2 Năng lượng di chuyển nút khuyết oxi theo hướng , 67 Bảng 2.3 Các lượng hình thành, di chuyển kích hoạt nút khuyết oxi 68 CeO2 Bảng 2.4 Các lượng hình thành, di chuyển kích hoạt nút khuyết oxi 68 c-ZrO2 Bảng 3.1 Các thông số Buckingham hệ R1−x Yx O2−x/2 94 Bảng 3.2 Năng lượng liên kết nút khuyết - tạp chất vị trí 1NN 2NN 96 Bảng 3.3 Hằng số mạng YDC YSZ trạng thái ban đầu trạng thái 98 điểm yên ngựa T = K Bảng 3.4 Năng lượng di chuyển nút khuyết oxi qua hàng rào YDC 99 YSZ Bảng 3.5 Năng lượng kích hoạt nút khuyết oxi YDC YSZ nhiệt 101 độ nồng độ tạp chất khác Bảng 4.1 Các số mạng lớp trong, lớp màng mỏng YDC T 123 = 1000 K Bảng 4.2 Các số mạng lớp trong, lớp màng mỏng YSZ T = 124 1000 K Bảng 4.3 Các kết tính tốn lượng liên kết nút khuyết - tạp chất, lượng di chuyển kích hoạt nút khuyết oxi, hệ số khuếch tán độ dẫn ion 127 lớp trong, lớp ngoài, màng mỏng YDC bề dày nồng độ tạp chất khác Bảng 4.4 Các kết tính tốn lượng liên kết nút khuyết - tạp chất, lượng di chuyển kích hoạt nút khuyết oxi, hệ số khuếch tán độ dẫn ion 128 lớp trong, lớp ngoài, màng mỏng YSZ bề dày nồng độ tạp chất khác vii Danh mục đồ thị, hình vẽ Trang Hình 1.1 Cấu trúc fluorit tinh thể CeO2 Hình 1.2 Sự hình thành nút khuyết oxi tinh thể CeO2 10 Hình 1.3 Sự biến đổi pha nhiệt độ khác ZrO2 11 Hình 1.4 Các lượng E(1.4) , E(1.5) , E(1.6) cần thiết để tạo khuyết tật VO•• , Mi••• , Ri•••• phản ứng (1.4), (1.5) (1.6) pha tạp M2 O3 vào 12 mạng tinh thể c-ZrO2 [14] Hình 1.5 Sự di chuyển nút khuyết oxi YDC YSZ 14 Hình 1.6 Nồng độ nút khuyết oxi biên hạt màng mỏng 15 Hình 1.7 Nguyên tắc hoạt động SOFC 16 Hình 1.8 Sự phụ thuộc lượng liên kết nút khuyết - tạp chất vào bán kính rM cation tạp chất CeO2 pha tạp M2 O3 [45] (a) khoảng cách 24 rn−Y nút khuyết oxi tạp chất YSZ (b) [51] Hình 1.9 Các đường di chuyển xảy nút khuyết oxi ô sở cấu trúc fluorit tinh thể RO2 (R = Ce, Zr) tương ứng với hướng , 26 Hình 1.10 Con đường di chuyển nút khuyết oxi theo hướng hai 27 hình tứ diện liền kề có chứa cation Hình 2.1 Hình chiếu ô sở cấu trúc fluorit mặt phẳng Oxy với vị trí 56 X1 , X , X , X Hình 2.2 Sự di chuyển ion O2− từ nút mạng A qua điểm yên ngựa B đến 57 nút mạng trống C dẫn đến thay đổi lượng mạng tinh thể Hình 2.3 Ba hướng di chuyển , xảy nút khuyết oxi từ nút mạng A tới nút mạng lân cận C1 , C2 , C3 ô sở cấu 58 trúc fluorit Hình 2.4 Ion O2− di chuyển vào điểm yên ngựa B hình thành hai nút khuyết oxi 59 nút mạng A C Hình 2.5 Sự phụ thuộc số mạng CeO2 P = vào nhiệt độ (a) áp suất (b) T = 300 K Các kết tính tốn so sánh với kết thực 65 nghiệm [104-107] Hình 2.6 Sự phụ thuộc số mạng c-ZrO2 vào nhiệt độ (a) áp 65 suất khác áp suất (b) T = 2700 K Hình 2.7 Sự phụ thuộc hệ số khuếch tán (a) độ dẫn ion (b) CeO2 vào nhiệt độ Các kết thực nghiệm [114-116] để so sánh 69 viii Trang Hình 2.8 Sự phụ thuộc hệ số khuếch tán (a) độ dẫn ion (b) c-ZrO2 69 vào nhiệt độ P = Hình 2.9 Sự phụ thuộc độ dẫn ion CeO2 (a) c-ZrO2 (b) vào áp 70 suất Hình 3.1 Ion O2− rời nút mạng A di chuyển vào điểm yên ngựa B theo hướng 86 Hình 3.2 Ba cấu hình cation nằm vị trí 1NN xung quanh cặp trao đổi oxy-nút khuyết oxi tương ứng với ba hàng rào cation R4+ - R4+ (a), R4+ - Y3+ 3+ (b) Y -Y 3+ 88 (c) Hình 3.3 Sự phụ thuộc số mạng vào nồng độ tạp chất YDC (a) YSZ (b) nhiệt độ T = 300 K P = Các kết tính tốn lý thuyết 94 [25,32,35,51,125] thực nghiệm [125-128] để so sánh Hình 3.4 Sự phụ thuộc lượng liên kết nút khuyết – tạp chất Eass vào 96 nồng độ tạp chất YDC (a) YSZ (b) nhiệt độ khác Hình 3.5 Sự phụ thuộc lượng di chuyển nút khuyết oxi Em vào nồng 99 độ pha tạp YDC (a) YSZ (b) nhiệt độ khác Hình 3.6 Sự phụ thuộc lượng kích hoạt nút khuyết oxi Ea vào nồng độ tạp chất YDC 773 K (a) YSZ 1000 K (b) Các kết tính tốn 101 so sánh với kết mô DFT [28,32,40] kết thực nghiệm [132-137] Hình 3.7 Hệ số khuếch tán D hàm nghịch đảo nhiệt độ tuyệt đối (1/T ) nồng độ tạp chất khác YDC (a) YSZ (b) Các kết 102 tính tốn so sánh với kết thực nghiệm [138,139] Hình 3.8 Sự phụ thuộc hệ số khuếch tán D YDC (a) YSZ (b) vào 103 áp suất P nồng độ pha tạp x = 0,1; x = 0,2; x = 0,3 Hình 3.9 Sự phụ thuộc độ dẫn ion σ vào nồng độ tạp chất YDC (a) 1073 K YSZ (b) 873 K 973 K Các kết tính tốn theo PPTKMM 104 so sánh với kết MD [25] thực nghiệm [25,136] Hình 3.10 Các đường Arrhenius độ dẫn ion σ theo nghịch đảo nhiệt độ tuyệt đối (1/T ) nồng độ tạp chất khác YDC (a) YSZ (b) 105 Đường Arrhenius tính toán so sánh với đường thực nghiệm [132,140] Hình 3.11 Sự phụ thuộc độ dẫn ion σ vào áp suất P YDC (a) YSZ 106 (b) nồng độ pha tạp x = 0,1; x = 0,2; x = 0,3 140 [50] Kushima A., Yildiz B (2010), Oxygen ion diffusivity in strained yttria stabilized zirconia: where is the fastest strain?, J Mater Chem 20, 4809 [51] Devanathan R., Weber W.J., Singhal S.C., Gale J.D (2006), Computer Simulation of Defects and Oxygen Transport in Yttria-Stabilized Zirconia, Solid State Ionics 177, 1251 [52] Goff J.P., Hayes W., Hull S., Hutchings M.T., Clausen K.N (1999), Defect structure of yttria-stabilized zirconia and its influence on the ionic conductivity at elevated temperatures, Phys Rev B 59, 14202 [53] Yashima M., Kobayashi S., Yasui T (2007), Positional disorder and diffusion path of oxide ions in the yttria-doped ceria Ce0.93 Y0.07 O1.96 , Faraday Discuss 134, 369 [54] Shimojo F., Okabe T., Tachibana F., Kobayashi M., Okazaki H (1992), Molecular dynamics studies of yttria stabilized zirconia I Structure and oxygen diffussion, Journal of The Physical Society of Japan 61, 2848 [55] Grope B.O.H., Zacherle T., Nakayama M., Martin M (2012), Oxygen ion conductivity of doped ceria: A Kinetic Monte Carlo study, Solid State Ionics 225, 476 [56] Tuller H.L., Nowick A.S (1975), Doped ceria as a solid oxide electrolyte, Journal of the Electrochemical Society: Solid State Science and Technology 122, 255 [57] Shing O.P., Ping T.Y., Y.Hin T.-Y., Zainal Z (2011), Synthesis and Ionic Conductivity of Mechanically Synthesized Yttrium-doped Ceria Solid Solutions, Journal of Applied Sciences 11, 1285 [58] Fu Y.-P (2009), Ionic conductivity and mechanical properties of Y2 O3 -doped CeO2 ceramics synthesis by microwave-induced combustion, Ceramics International 35, 653 [59] Ou D.R., Mori T., Ye F., Kobayashi T (2006), Oxygen vacancy ordering in heavily rare-earth-doped ceria, Applied Physics Letter 89, 171911 141 [60] Hayashi H., Sagawa R., Inaba H., Kawamura K (2000), Molecular dynamics calculations on ceria-based solid electrolytes with different radius dopants, Solid State Ionics 131, 281 [61] Adler’t S.B., Smith J.W (1993), Effects of Long-range Forces on Oxygen Transport in Yttria-doped Ceria: Simulation and Theory, J Chem Soc., Faraday Trans 89, 3123 [62] Koettgen J., Grieshammer S., Hein P., Grope B.O.H, Nakayama M., Martin M (2018), Understanding the ionic conductivity maximum in doped ceria: trapping and blocking, Phys Chem Chem Phys 20, 14291 [63] Koettgen J., Martin M (2019), The Effect of Jump Attempt Frequencies on the Ionic Conductivity of Doped Ceria, J Phys Chem C 123 (32), 19437 [64] Ahamer C., Opitz A.K., Rupp G.M., Fleig J (2017), Revisiting the Temperature Dependent Ionic Conductivity of Yttria Stabilized Zirconia (YSZ), Journal of The Electrochemical Society 164 (7), F790 [65] Pietrucci F., Bernasconi M., Laio A., Parrinello M (2008), Vacancy-vacancy interaction and oxygen diffusion in stabilized cubic ZrO2 from first principles, Physical Review B 78, 094301 [66] Rupp J.L.M., Gauckler L.J (2006), Microstructures and electrical Conductivity of nanocrystalline ceria-based thin films, Solid State Ionics 177, 2513 [67] Laethem D.V., Deconinck J., Hubin A (2019), Ionic conductivity of space charge layers in acceptor doped ceria, Journal of the European Ceramic Society 39 (2-3), 432 [68] Suzuki T., Kosacki I., Anderson H.U (2002), Microstructure-electrical conductivity relationships in nanocrystalline ceria thin films, Solid State Ionics 151, 111 [69] Tschope A., Kilassonia S., Birringer R (2004), The grain boundary effect in heavily doped cerium oxide, Solid State Ionics 173, 57 142 [70] Bellino M.G., Lamas D.G., Reca N.E.W (2006), Enhanced Ionic Conductivity in Nanostructured Heavily, Doped Ceria Ceramics, Adv Funct Mater 16, 107 [71] An J., Bae J., Hong S., Koo B., Kim Y.-B., Gurd T.M., Prinzc F.B (2015), Grain boundary blocking of ionic conductivity in nanocrystalline yttriadoped ceria thin films, Scripta Materialia 104, 45 [72] Karthikeyan A., Chang C.-L., Ramanathan S (2006), High temperature conductivity studies on nanoscale yttria-doped zirconia thin films and size effects, Applied Physics Letter 89, 183116 [73] Jiang J., Clark D., Shen W., Hertz J.L (2014), The effects of substrate surface structure on yttria-stabilized zirconia thin films, Applied Surface Science 293, 191 [74] Kim S.M., Son J.-W., Lee K.-R., Kim H., Kim H.-R., Lee H.-W., Lee J.-H (2010), Substrate effect on the electrical properties of sputtered YSZ thin films for co-planar SOFC applications, Journal of Electroceram 24, 153 [75] Chuna S.-Y., Mizutani N (2001), The transport mechanism of YSZ thin films prepared by MOCVD, Applied Surface Science 171, 82 [76] Joo J.H., Choi G.M (2006), Electrical conductivity of YSZ film grown by pulsed laser deposition, Solid State Ionics 177, 1053 [77] Heiroth S., Lippert T., Wokaun A., Dăobeli M (2008), Microstructure and electrical conductivity of YSZ thin films prepared by pulsed laser deposition, Appl Phys A 93, 639 [78] Gerstl M., Friedbacher G., Kubel F., Hutter H., Fleig J (2013), The relevance of interfaces for oxide ion transport in yttria stabilized zirconia (YSZ) thin films, Phys Chem Chem Phys 15, 1097 [79] Hartmanove M., Thurzo I., Jergel M., Bartos J., Kadlec F., Zelezny V., Tunega D., Kundracik F., Chromik S., Brunel M (1998), Characterization of yttria-stabilized zirconia thin films deposited by electron beam evaporation on silicon substrates, Journal of Materials Science 33, 969 143 [80] Guo X., Vasco E., Mi S., Szot K., Wachsman E., Waser R (2005), Ionic conduction in zirconia films of nanometer thickness, Acta Materialia 53, 5161 [81] Chuna S.-Y., Mizutani N (2001), The transport mechanism of YSZ thin films prepared by MOCVD, Applied Surface Science 171, 82 [82] Souza R.A.D., Pietrowski M.J., Anselmi-Tamburini U., Kim S., Munirb Z.A., Martin M (2008), Oxygen diffusion in nanocrystalline yttria-stabilized zirconia: the effect of grain boundaries, Phys Chem Chem Phys 10, 2067 [83] Park Y.-I., Su P.C., Cha S.W., Saito Y., Prinz F.B (2006), Thin-Film SOFCs Using Gastight YSZ Thin Films on Nanoporous Substrates, Journal of The Electrochemical Society 153, A431 [84] Boulc’h F., Djurado E., Dessemond L (2004), Dopant Segregation and Space Charge Effect in Nanostructured Tetragonal Zirconia, Journal of The Electrochemical Society 151, A1210 [85] Guo X., Maier J (2001), Dopant Segregation and Space Charge Effect in Nanostructured Tetragonal Zirconia, Journal of The Electrochemical Society 148, E121 [86] Sillassen M., Eklund P., Pryds N., Johnson E., Helmersson U., Bøttiger J (2010), Low-Temperature Superionic Conductivity in Strained YttriaStabilized Zirconia, Adv Funct Mater 20, 2071 [87] Zhang Y.W., Jin S., Yang Y., Li G.B., Tian S.J., Jia J.T., Liao C.S., Yan C.H (2000), Electrical conductivity enhancement in nanocrystalline (RE2 O3 )0.08 (ZrO2 )1.92 (RE=Sc,Y) thin films, Appl Phys Lett 77, 3409 [88] Kosacki I., Rouleau C.M., Becher P.F., Bentley J., Lowndes D.H (2004), Surface Interface-Related Conductivity in Nanometer Thick YSZ Films, Electrochemical and Solid-State Letters 7, A459 [89] Jung W., Hertz J.L., Tuller H.L (2009), Enhanced ionic conductivity and phase meta-stability of nano-sized thin film yttria-doped zirconia (YDZ), Acta Materialia 57, 1399 144 [90] Tang N., Hung V.V (1988), Investigation of the thermodynamic properties of anharmonic crystals by the momentum method, Phys Stat Sol 149, 511 [91] Tang N., Hung V.V (1990), Investigation of the Thermodynamic Properties of Anharmonic Crystals by the Momentum Method, Phys Stat Sol 162, 379 [92] Hung V.V., Tich H.V., Masuda-Jindo K (2000), Study of Self-Diffusion in Metals by Statistical Moment Method: Anharmonic Effects, Journal of the Physical Society of Japan 69, 2691 [93] Hung V.V., Lee J., Masuda-Jindo K., Hong P.T.T (2006), Study of SelfDiffusion in Silicon at High Pressure, J Phys Soc Jpn 75 (2), 024601 [94] Hung V.V., Tinh B.D., Lee J (2011), Study of ionic conductivity in cubic Ceria by the statistical moment method, Modern Physics Letters B 25, 1101 [95] Cleave A.R (2006), Atomic Scale Simulations for Waste Form Applications, Doctoral Thesis, Department of Materials Imperial College of Science, Technology and Medicine [96] Hung V.V., Thanh L.T.M., Hai N.T (2006), Investigation of thermodynamic quantities of the cubic zirconia by statistical moment, Advances in Natural Science 7, 21 [97] Hung V.V., Thanh L.T.M., Masuda-Jindo K (2010), Study of thermodynamic properties cerium dioxide under high pressures, Computational Materials Science 49, S355 [98] Hung V.V, Lee J., Masuda-Jindo K (2006), Investigation of thermodynamic properties of cerium dioxide by statistical moment method, Journal of Physics and Chemistry of Solids 67, 682 [99] Li Z.-P., Mori T., Ye F., Ou D., Auchterlonie G.J., Zou J., Drennan J (2012), Cerium-Reduction-Induced Defects Clustering, Ordering, and Associated Microstructure Evolution in Yttrium-Doped Ceria, J Phys Chem C 116, 5435 145 [100] Wolf D., Keblinski P., Phillpot S.R., Eggebrecht J (1999), Exact method for the simulation of Coulombic systems by spherically truncated pairwise r−1 summation, J Chem Phys 110, 8254 [101] Demontis P., Spanu S., Suffritti G.B (2001), Application of the Wolf method for the evaluation of Coulombic interactions to complex condensed matter systems: Aluminosilicates and water, J Chem Phys 114, 7980 [102] Hansen J.S., Schrøder T.B., Dyre J.C (2012), Simplistic Coulomb Forces in Molecular Dynamics: Comparing the Wolf and Shifted-Force Approximations, J Phys Chem B 116, 5738 [103] Fennell C.J., Gezelter J.D (2006), Is the Ewald summation still necessary? Pairwise alternatives to the accepted standard for long-range electrostatics, J Chem Phys 124, 234104 [104] Yashima M., Ishimura D., Yamaguchi Y., Ohoyama K., Kawachi K (2003), High-temperature neutron powder diffraction study of cerium dioxide CeO2 up to 1770 K, Chemical Physics Letters 372, 784 [105] Rossignol S., Gerard F., Mesnard D., Kappenstein C., Duprez D (2003), Structural changes of Ce-Pr-O oxides in hydrogen: a study by in situ X-ray diffraction and Raman spectroscopy, J Mater Chem 13, 3017 [106] Wang Z., Zhao Y., Schiferl D., Zha C.S., Downs R.T (2004), Pressure induced increase of particle size and resulting weakening of elastic stiffness of CeO2 nanocrystals, Applied Physics Letters 85, 124 [107] Gerward L., Olsen J.S., Petit L., Vaitheeswaran G., Kanchana V., Svane A (2005), Bulk modulus of CeO2 and PrO2 - An experimental and theoretical study, Journal of Alloys and Compounds 400, 56 [108] Aldebert P., Traverse J.-P (1985), Structure and Ionic Mobility of Zirconia at High Temperature, J Am Ceram Soc 68, 34 [109] Orlando R., Pisani C., Roetti C (1992), Ab initio Hartree-Fock study of tetragonal and cubic phases of zirconium dioxide, Physical Review B 45, 592 146 [110] Dwivedi A., Cormac A.N (1990), A computer simulation study of the defect structure of calcia-stabilized zirconia, Philosophical Magazine A 61, [111] Kilo M., R.A Jackson, G Borchardty (2003), Computer modelling of ion migration in zirconia, Philosophical Magazine A 83, 3309 [112] Mackrodt W.C., Woodrow P.M (1986), Theoretical Estimates of Point Defect Energies in Cubic Zirconia, J Am Ceram Soc 69, 277 [113] Wang J., Raj R (1991), Activation Energy for the Sintering of Two-Phase Alumina/Zirconia Ceramics, Journal of the American Ceramic Society 74 (8), 1959 [114] Vinokurov I.V (1970), Diffusion of oxygen in CeO2 monocrystals, Neorg Mater 6, 31 [115] Floyd J.M (1973), Interpretation of transport phenomena in nonstoichiometric ceria, Indian J Tech 11, 589 [116] Kamiya M., Shimada E., Ikuma Y (1998), Oxygen self-diffusion in cerium oxide, J Ceram Soc Japan 106, 1023 [117] L.T Lam, V.V Hung, B.D Tinh (2019), Investigation of electrical properties of Yttria-doped Ceria and Yttria-Stabilized Zirconia by statistical moment method, Journal of the Korean Physical Society 75 (4), 293 [118] L.T Lam, V.V Hung, N.T Hai (2019), Study of oxygen vacancy diffusion in Yttria-doped Ceria and Yttria-stabilized Zirconia by statistical moment method, Communications in Physics 29 (3), 263 [119] L.T Lam, V.V Hung (2019), Investigation of oxygen vacancy migration energy in yttrium doped cerium, IOP Conf Series 1274 (012004), [120] L.T Lam, V.V Hung (2019), Effects of temperature and dopant concentration on oxygen vacancy diffusion coefficient of yttria-stabilized zirconia, IOP Conf Series 1274 (012005), 147 [121] Khan M.S., Islam M S., Bates D.R (1998), Cation doping and oxygen diffusion in zirconia: a combined atomistic simulation and molecular dynamics study, J Mater Chem (10), 2299 [122] Grieshammer S., Grope B.O.H., Koettgen J., Martin M (2014), A combined DFT+U and Monte Carlo study on rare earth doped ceria, Phys Chem Chem Phys 16, 9974 [123] Kim D.-J (1989), Lattice Parameters Ionic, Conductivities, and Solubility limits in Fluorite-Structure MO2 Oxide [M = Hf4+ , Zr4+ , Ce4+ , Th4+ , U4+ ] Solid Solutions, J Am Ceram Soc 72, 1415 [124] Hong S.J., Virkar A.V (1995), Lattice Parameters and Densities of RareEarth Oxide Doped Ceria Electrolytes, J Am Ceram Soc 78, 433 [125] Zhang T.S., Ma J., Huang H.T., Hing P., Xia Z.T., Chan S.H., Kilner J.A (2003), Effects of dopant concentration and aging on the electrical properties of Y-doped ceria electrolytes, Solid State Sciences 5, 1505 [126] Kim N., Stebbins J F (2007), Vacancy and cation distribution in yttriadoped ceria: An 89Y and 17O MAS NMR study, Chem Mater 19, 5742 [127] Ingle R.P., Lewis III D (1986), Lattice Parameters and Density for Y2 O3 Stabilized ZrO2 , J Am Cream Soc 69, 325 [128] Terblanche S.P (1989), Thermal-expansion coefficients of yttria-stabilized cubic zirconia, J Appl Cryst 22, 283 [129] Marrocchelli D., Bishop S.R., Tuller H.L., Yildiz B (2012), Understanding Chemical Expansion in Non-Stoichiometric Oxides: Ceria and Zirconia Case Studies, Adv Funct Mater 22, 1958 [130] Goff J.P., Hayes W., Hull S., Hutchings M.T., Clausen K.N (1999), Defect structure of yttria-stabilized zirconia and its influence on the ionic conductivity at elevated temperatures, Phys Rev B 59, 202 [131] Li P., Chen I.W., Penner-Hahn J.E (1993), X-ray-absorption studies of zirconia polymorphs II Effect of Y2 O3 dopant on ZrO2 structure, Phy Rev B 48, 10074 148 [132] Ou D.R., Mori T., Ye F., Takahashi M., Zou J., Drennan J (2006), Microstructures and electrolytic properties of yttrium-doped ceria electrolytes: Dopant concentration and grain size dependences, Acta Materialia 54, 3737 [133] Herle J.V., Horita T., Kawada T., Sakai N., Yokokawa H., Dokiya M (1996), Sintering behaviour and ionic conductivity of Yttria-doped Ceria, Journal of the European Ceramic Society 16, 961 [134] Zajac W., Molenda J (2008), Electrical conductivity of doubly doped ceria, Solid State Ionics 179, 154 [135] Badwal S.P.S (1992), Zirconia-based solid electrolytes: microstructure, stablility and ionic conductivity, Solid State Ionics 52, 32 [136] Filal M., Petot C., Mokchah M., Chateau C., Carpentier J.L (1995), Ionic conductivity of yttrium-doped zirconia and the “composite effect”, Solid State Ionics 80, 27 [137] Zhang C., Li C.-J., Zhang G., Ning X.-J., Li C.-X., Liao H., Coddet C (2007), Ionic conductivity and its temperature dependence of atmospheric plasma-sprayed yttria stabilized zirconia electrolyte, Materials Science and Engineering B 137, 24 [138] Rushton M.J.D., Chroneos A., Skinner S.J., Kilner J.A., Grimes R.W (2013), Effect of strain on the oxygen diffusion in yttria and gadolinia codoped ceria, Solid State Ionics 230, 37 [139] Oishi Y., Ando K (1985), Oxygen self-diffusion in cubic ZrO2 solid solutions, Transport in Nonstoichiometric Compounds 129, 189 [140] Weller M., Herzog R., Kilo M., Borchardt G., Weber S., Scherrer S (2004), Oxygen mobility in yttria-doped zirconia studied by internal friction, electrical conductivity and tracer diffusion experiments, Solid State Ionics 175, 409 [141] Jiang J., Hu X., Shen W., Ni C., Hertz J.L (2013), Improved ionic conductivity in strained yttria-stabilized zirconia thin films, Applied Physics Letter 102, 143901 149 [142] Jiang J., Hu X., Ye N., Hertz J.L (2014), Microstructure and Ionic Conductivity of Yttria-Stabilized Zirconia Thin Films Deposited on MgO, J Am Ceram Soc 97, 1131 [143] Ishigaki H., Yamada T., Wakiya N., Shinozaki K., Mizutani N (2001), Effect of the Thickness of SiO2 under Layer on the Initial Stage of Epitaxial Growth Process of Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ) Thin Film Deposited on Si (001) Substrate, Journal of the Ceramic Society of Japan 109, 766 ˇ cík V (2011), Properties [144] Siegel J., Lyutakov O., Rybka1 V., Kolská Z., Svorˇ of gold nanostructures sputtered on glass, Nanoscale Research Letters 6, 96 [145] Kumar A., Chandra G., Katya O.P (1992), Variation of Lattice Parameter with Thickness in Lead Films, Phys Stat Sol 134, K9 ˇ ˇ cík V (2010), Lattice parameter and [146] Kolská Z., Ríha J., Hnatowicz V., Svorˇ expected density of Au nano-structures sputtered on glass, Materials Letters 64, 1160 [147] Yaegashi S., Kurihara T., Hoshi H., Segawa H (1994), Epitaxial Growth of CeO2 Films on Si (111) by Sputtering, Jpn J Appl Phys 33, 270 [148] Kossoy A., Feldman Y., Wachtel E., Gartsman K., Lubomirsky I., Fleigc J., Maier J (2006), On the origin of the lattice constant anomaly in nanocrystalline ceria, Phys Chem Chem Phys 8, 1111 [149] Putkonen M., Sajavaara T., Niinisto J., Johansson L.S., Niinisto L (2002), Deposition of yttria-stabilized zirconia thin films by atomic layer epitaxy from b-diketonate and organometallic precursors, J Mater Chem 12, 442 [150] Jung W., Hertz J.L., Tuller H.L (2009), Enhanced ionic conductivity and phase meta-stability of nano-sized thin film yttria-doped zirconia (YDZ), Acta Materialia 57, 1399 [151] Kosacki I., Rouleau C.M., Becher P.F., Bentley J., Lownde D.H (2005), Nanoscale effects on the ionic conductivity in highly textured YSZ thin films, Solid State Ionics 176, 1319 150 [152] Kim H.-R., Kim J.-C., Lee K.-R., Ji H.-I., Lee H.W., Lee J-H., Son J.-W (2011), Illusional nano-size effect due to artifacts of in-plane conductivity measurements of ultra-thin films, Phys Chem Chem Phys 13, 6133 [153] Hua C.-H., Chou C.-C (2016), Low-temperature electrochemical characterization of sputtered yttria-stabilized zirconia thin film on silicon substrate, Japanese Journal of Applied Physics 55 (8), 080302 [154] Kim H.K., Jang D.Y., Kim J.W., Bae K., Shim J.H (2015), Ionic properties of ultrathin yttria-stabilized zirconia thin films fabricated by atomic layer deposition with water, oxygen, and ozone, Thin Solid Films 589 (5), 441 [155] Navickas E., Gerstl M., Kubel F., Fleig J (2012), Simultaneous Measurement of the In- and Across-Plane Ionic Conductivity of YSZ Thin Films, Journal of The Electrochemical Society 159 (4), B411 [156] Jang D.Y., Kim H.K., Kim J.W., Bae K., Schlupp M.V.F., Park S.W., Prestat M., Shim J.H (2015), Low-temperature performance of yttria-stabilized zirconia prepared by atomic layer deposition, Journal of Power Sources 274, 611 Phụ lục Bảng A1 Các lượng hình thành, di chuyển kích hoạt nút khuyết oxi, hệ số khuếch tán độ dẫn ion CeO2 nhiệt độ áp suất khác P T =1000 K T =1200 K T =1400 K Ef (eV) 1,4502 1,4804 1,5106 1,5409 1,5712 Em (eV) 1,2096 1,2325 1,2553 1,2780 1,3009 Ea (eV) 2,6598 2,7129 2,7659 2,8189 2,8721 D.10−12 (cm2 /s) 1,6394 0,8917 0,4853 0,2640 0,1432 σ.10−15 (S/cm) 28,499 10,902 4,1736 1,5952 0,6080 Ef (eV) 1,4847 1,5149 1,5451 1,5754 1,6057 Em (eV) 1,2331 1,2559 1,2786 1,3015 1,3244 Ea (eV) 2,7178 2,7708 2,8237 2,8769 2,9301 D.10−12 (cm2 /s) 15,922 9,6092 5,8029 3,4924 2,1008 σ.10−15 2,7301 1,2286 0,5533 0,2480 0,1112 Ef (eV) 1,2566 1,2792 1,3020 1,3249 1,3477 Em (eV) 2,7757 2,8287 2,8815 2,9347 2,9880 Ea (eV) 4,2091 2,7333 1,7772 1,1511 0,7447 D.10−12 (cm2 /s) 4,2091 2,7333 1,7772 1,1511 0,7447 σ.10−15 3,7645 1,9341 0,9976 0,5108 0,2605 151 152 Bảng A2 Các lượng hình thành, di chuyển kích hoạt nút khuyết oxi, hệ số khuếch tán độ dẫn ion c-ZrO2 nhiệt độ áp suất khác P T =2700 K T =2800 K T =2900 K Ef (eV) 3,5510 3,5811 3,6114 3,6413 3,6715 Em (eV) 2,3581 2,3824 2,4070 2,4313 2,4556 Ea (eV) 5,9091 5,9635 6,0184 6,0726 6,1271 D.10−10 (cm2 /s) 4,3992 3,5020 2,7808 2,2141 1,7603 σ.10−11 (S/cm) 1,7219 1,2217 0,8638 0,6130 0,4336 Ef (eV) 3,5764 3,6064 3,6368 3,6668 3,6968 Em (eV) 2,3828 2,4070 2,4318 2,4560 2,4802 Ea (eV) 5,9592 6,0133 6,0687 6,1228 6,1771 D.10−10 (cm2 /s) 8,8024 7,0754 5,6561 4,5444 3,6471 σ.10−11 5,1578 3,7139 2,6548 1,9091 1,3705 Ef (eV) 3,6018 3,6319 3,6622 3,6921 3,7223 Em (eV) 2,4075 2,4317 2,4565 2,4807 2,5051 Ea (eV) 6,0093 6,0637 6,1186 6,1729 6,2274 D.10−9 (cm2 /s) 1,6880 1,3659 1,1027 0,8921 0,7209 σ.10−10 1,4383 1,0465 0,7591 0,5523 0,4006 153 Bảng A3 Các lượng hình thành, di chuyển kích hoạt nút khuyết oxi, hệ số khuếch tán độ dẫn ion YDC nồng độ tạp chất áp suất khác P x=0,1 x=0,2 x=0,3 Eass (eV) 0,2963 0,3155 0,3346 0,3538 0,3733 Em (eV) 0,4764 0,5046 0,5328 0,5614 0,5896 Ea (eV) 0,7727 0,8201 0,8674 0,9152 0,9629 D.10−7 (cm2 /s) 8,4470 4,8575 2,7962 1,6003 0,9169 σ.10−3 (S/cm) 11,505 5,2829 2,4311 1,1110 0,5064 Eass (eV) 0,2681 0,2872 0,3065 0,3255 0,3449 Em (eV) 0,5613 0,5894 0,6178 0,6459 0,6742 Ea (eV) 0,8294 0,8766 0,9243 0,9714 1,0191 D.10−7 (cm2 /s) 4,3746 2,5215 1,4447 0,8336 0,4777 σ.10−3 8,2651 3,8085 1,7403 0,8036 0,3668 Eass (eV) 0,2534 0,2725 0,2919 0,3111 0,3301 Em (eV) 0,6448 0,6731 0,7014 0,7297 0,7578 Ea (eV) 0,8982 0,9456 0,9933 1,0408 1,0879 D.10−7 (cm2 /s) 1,9687 1,1321 0,6487 0,3725 0,2149 σ.10−3 4,4114 2,0279 0,9257 0,4245 0,1960 154 Bảng A4 Các lượng hình thành, di chuyển kích hoạt nút khuyết oxi, hệ số khuếch tán độ dẫn ion YSZ nồng độ tạp chất áp suất khác P x=0,1 x=0,2 x=0,3 Eass (eV) 0,3390 0,3709 0,4026 0,4345 0,4663 Em (eV) 0,4587 0,4892 0,5196 0,5501 0,5807 Ea (eV) 0,7977 0,8601 0,9222 0,9846 1,0470 D.10−7 (cm2 /s) 5,6575 2,7430 1,3497 0,6471 0,3138 σ.10−3 (S/cm) 4,6947 1,5685 0,5330 0,1761 0,0589 Eass (eV) 0,3048 0,3367 0,3684 0,4001 0,4321 Em (eV) 0,5140 0,5446 0,5751 0,6055 0,6361 Ea (eV) 0,8188 0,8813 0,9435 1,0056 1,0682 D.10−7 (cm2 /s) 4,4288 2,1448 1,0541 0,5072 0,2453 σ.10−3 5,4655 1,8239 0,6192 0,2057 0,0685 Eass (eV) 0,2818 0,3136 0,3455 0,3773 0,4091 Em (eV) 0,6592 0,6896 0,7202 0,7505 0,7811 Ea (eV) 0,9410 1,0032 1,0657 1,1278 1,1902 D.10−7 (cm2 /s) 1,0725 0,5212 0,2552 0,1228 0,0595 σ.10−3 1,7284 0,5794 0,1956 0,0649 0,0217 ... cứu đặc tính khuếch tán dẫn điện vật liệu pha tạp Điều cần thiết phải xây dựng mơ hình tính tốn dựa vào PPTKMM để nghiên cứu đặc tính khuếch tán dẫn điện vật liệu oxit pha tạp có cấu trúc fluorit. .. đích luận án nghiên cứu đặc tính khuếch tán dẫn điện vật liệu khối oxit có cấu trúc fluorit cách đánh giá phụ thuộc hệ số khuếch tán độ dẫn ion vào nhiệt độ, áp suất nồng độ tạp chất Các tính. .. Chương Tổng quan đặc tính khuếch tán dẫn điện vật liệu oxit có cấu trúc fluorit 1.1 1.1.1 Các vật liệu oxit cấu trúc fluorit Ceria zirconia a Ceria Tinh thể Ceria (CeO2 ) có cấu trúc fluorit thuộc