固体酸化物電気化学ドーピング法による酸化物セラミックスの機能デザイン

固体氧化物电化学掺杂法氧化物陶瓷的功能设计

基本信息

批准号：
12875124
负责人：
松本泰道
金额：
$ 1.02万
依托单位：
Kumamoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2001
项目状态：
已结题

项目摘要

固体酸化物電気化学ドーピング法は固体電解質とドープ対象材料の固相界面に適当な電圧を印加することで、固体電解質中の金属イオンを電気化学的にドーピングする手法である。本法が固相界面を介したイオン注入であるため、この界面の接触面積を微小化することで固体内の目的部分だけにドーピングが可能、つまり局部選択的ドーピングが生じると考えられる。本研究ではビスマス系超伝導セラミックスへの局部選択的ドーピングを行い、印加する電流値などのドープ条件とドーパント分布状態との関係について詳細に検討した。固体電解質は金属イオン伝導性ベータアルミナと酸化物イオン伝導性イットリア安定化ジルコニアを用いた。ベータアルミナ微小電極を用いた超伝導セラミックスへの金属イオンドーピングでは、陰極側に使用する固体電解質の種類によってドープの可能性が大きく変化した。すなわち、陰極側に陽極同様にベータアルミナを用いた場合、対象材料内の電気的中性則を満足させるために、ドーピングと同時に対象材料を構成する何らかのカチオンが陰極側ベータアルミナへ移動する必要がある。しかし、固定化された結晶構造から金属イオンを引き抜くのは難しく、結果としてドーピングは起こらなかった。一方で、陰極側に酸化物イオン伝導体を使用すると金属イオンと酸化物イオンの同時注入により電気的中性を満足させるために、イオン脱離を要しない。従って後者を用いて超伝導セラミックスへの局部選択的ドーピングが起こることがわかった。材料内のドーパントの分布は固体電解質とセラミックスの微小界面を中心とした半球状に分布しており、この半球の径は電気量によって容易に数十から数百マイクロメートルの間で制御可能であった。以上、本手法の応用例としてセラミックスへの局部選択型金属イオン注入に成功した。この結果は一片の固体材料の局所機能性を制御できる可能性を示唆していると考えられる。

固体氧化物电化学掺杂是一种技术，通过将适当的电压施加到固体电解质的固相界面和要掺杂的材料的固相界面，从而在固体电解质中的金属离子在电化学上掺杂。由于该方法是通过固相接口植入离子的，因此可以认为，通过最大程度地减少该界面上的接触区域，只能掺杂固体内的目标部分，这意味着生成局部选择性掺杂。在这项研究中，对基于二抗性的超导陶瓷进行了局部选择性掺杂，并详细检查了掺杂条件（如应用电流值和掺杂分布状态）之间的关系。固体电解质是金属离子导导的β氧化铝和氧化物离子导导的YTTRIA稳定氧化锆。当使用β氧化铝微电极将金属离子掺入超导陶瓷时，根据阴极侧使用的固体电解质的类型，掺杂的可能性发生了很大变化。也就是说，当以与阳极相同的方式在阴极侧使用β氧化铝时，为了满足目标材料中的电气中立性规则，必须将构成目标材料的某些阳离子与掺杂同时移动到阴极侧Beta氧化铝。但是，很难从固定的晶体结构中提取金属离子，因此没有发生掺杂。另一方面，当在阴极侧使用氧化离子导体时，不需要离子解吸才能通过同时植入金属离子和氧化物离子来满足电中心性。因此，发现局部选择性掺杂到超导陶瓷中是使用后者发生的。材料内的掺杂剂的分布分布在半球形形状上，以固体电解质和陶瓷的微接个面为中心，并且根据电力量，可以轻松地控制半球形的直径。作为此方法的应用示例，已成功执行了本地选择性的金属离子植入陶瓷。人们认为该结果表明控制了一块固体材料的局部功能的可能性。