6. Cấu trúc của luận án
1.1.4. Màng mỏng CeO
Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) có nhiều điểm nổi bật so với các loại pin nhiên liệu khác như có độ bền hố học cao dưới các điều kiện hoạt động, độ dẫn ion cao và độ dẫn electron hầu như bằng khơng, đảm bảo tính tương thích hố học và cơ học với mọi thành phần cấu tạo pin nhưng giá thành đắt. Chất điện phân điển hình dùng trong SOFC là CeO2 bởi có độ dẫn ion khá lớn ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, hoạt động ở nhiệt độ cao sẽ làm suy giảm mạnh các phẩm chất nhiệt học và cơ học của các vật liệu pin nên sẽ giới hạn tuổi thọ của pin. Do đó, yêu cầu đặt ra là cần phải giảm nhiệt độ hoạt động mà không ảnh hưởng đến chất lượng của SOFC. Người ta có thể làm giảm nhiệt độ hoạt động của SOFC nhưng bù lại được sự suy giảm độ dẫn ion bằng cách làm giảm chiều dày của lớp điện phân CeO2 tới kích thước nanomet [148].
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng màng mỏng ceria với chiều dày nhỏ hơn 100 nm biểu hiện nhiều tính chất khác biệt so với vật liệu khối. Chẳng hạn như có sự tăng cường đáng kể trong độ dẫn ion, thích ứng nhanh với sự thay đổi áp suất oxi (< 50 ms) và hoạt tính xúc tác được tăng cường. Những tính chất khác nhau này của màng mỏng CeO2 chủ yếu gây ra bởi sự rút gọn của năng lượng hình thành khuyết tật tại các biên hạt và mặt phân cách. Chẳng hạn, Y.M. Chiang và cộng sự đã chỉ ra enthalpy hình thành khuyết tật đã giảm đi 2 eV trong các mẫu kích thước nanomet khi so sánh với các mẫu micromet, và sự thay đổi hằng số mạng của màng mỏng đã
được mơ hình hố thành cơng bởi tính đến sự rút gọn enthalpy hình thành vacancy oxi tại các biên hạt [157].
Màng mỏng CeO2 có thể được chế tạo bằng nhiều kĩ thuật khác nhau chẳng hạn như kết tủa hơi vật lí hoặc hố học (PVD, CVD), CVD tăng cường plasma (PECVD), phương pháp sol-gel, kết tủa hơi điện hoá [30, 68], kết tủa bơm laze (PLD) [71]. Đặc biệt là phương pháp PLD cho phép chế tạo các màng mỏng với chiều dày từ nanomet tới micromet trong khi các kĩ thuật khác tạo ra các màng dày hơn trong khoảng từ 100 nm tới 20μm. PLD thường được sử dụng để chế tạo ra các màng mỏng với các loại vật liệu đa dạng. Hơn nữa, kĩ thuật này tạo ra các màng bám chặt tốt và cho phép phát triển các màng mỏng tinh thể.