Misfit induced elastic strain at interfaces and its impact on ionic conductivity : an investigation on thin film multilayers

Abstract

Thin film multilayers consisting of 9.5 mol-% Y2O3 doped ZrO2 (YSZ) and different rare earth oxides (RE2O3) with RE = Sc and Lu were prepared on (0001) sapphire substrates using pulsed laser deposition (PLD). These geometrically well defined samples serve as model systems for the investigation of structural influences, especially elastic lattice strain, on ionic transport in interfaces between two different materials. The interface density was varied by varying the number of individual layers while keeping the total thickness of the multilayers constant. To influence the grain boundary density of the typically polycrystalline samples, two different deposition rates, 10 Hz and 2 Hz, were used for the preparation of the samples.Structural characterisation of the samples was performed using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and (high-resolution) transmission electrons microscopy ((HR)TEM) methods. For the electrochemical characterisation, mainly AC impedance measurements were applied.All multilayer samples were crystalline directly after deposition and exhibit a columnar grain structure. The interfaces between YSZ and the rare earth oxides are sharp. Furthermore, the multilayers are highly textured and show a distinct orientation relationship between the substrate, YSZ and the rare earth oxides. For RE = Sc, the texture is better developed than for RE = Lu.Based on considerations concerning the influence of mismatch induced interfacial lattice strain on ionic transport, a decrease in total conductivity with increasing interface density was expected for RE = Sc, where a compressive lattice strain is present near the interfaces in YSZ. These assumptions could be proved by the electrochemical investigations. For RE = Lu, a small increase of the conductivity was expected because of the small positive misfit between Lu2O3 and YSZ. However, a small decrease was found instead for the samples deposited at 10 Hz.The investigations on samples deposited at 2~Hz result in data being difficult to analyse. Whereas a strong decrease of the conductivity for RE = Sc is in accordance with the expectations, the values obtained for RE = Lu were too scattered to allow a definite interpretation. Der Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Dünnfilm-Multischichtsysteme, bestehend aus 9.5~mol-% Y2O3 dotiertem ZrO2 und verschiedenen Seltenerdoxiden (RE2O3) mit RE = Sc und Lu. Die Multischichten wurden mittels gepulster Laserdeposition (PLD) auf (0001) Saphir Substraten abgeschieden. Sie dienen als geometrisch wohldefinierte Modellsysteme für die Untersuchung von strukturellen Einflüssen, insbesondere von elastischen Gitterverspannungen, auf den Ionentransport in Phasengrenzen. Die Grenzflächendichte in den Proben konnte variiert werden, indem die Anzahl der Einzelschichten bei gleichbleibender Gesamtdicke verändert wurde. Um zusätzlich Einfluss auf die Korngrenzdichte in den typischerweise polykristallinen Proben zu nehmen, wurden zwei verschiedene Depositionsraten, 2 Hz und 10 Hz, für den PLD-Prozess benutzt.Mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und (hochauflösender) Transmissionselektronenmikroskopie ((HR)TEM) wurden die Proben strukturell charakterisiert. Die elektrochemische Charakterisierung wurde hauptsächlich durch Impedanz-Spektroskopie vorgenommen.Alle Proben besaßen bereits direkt nach der Deposition eine kristalline Struktur, gekennzeichnet durch kolumnares Kornwachstum. Die Grenzflächen zwischen YSZ und den Seltenerdoxiden sind scharf. Zudem sind die Multischichten hochtexturiert und zeigen eine strikte Orientierungsbeziehung zwischen dem Substrat, YSZ und den Seltenerdoxiden. Dabei war die Textur für Proben mit RE = Sc besser ausgebildet als für Multischichten mit RE = Lu.Basierend auf theoretischen Überlegungen über den Einfluss von fehlpassungsinduzierten Gitterverspannungen in Grenzflächennähe auf den ionischen Transport erwartete man eine Abnahme der Gesamtleitfähigkeit mit zunehmender Grenz-flächendichte für RE = Sc, da in diesem System eine kompressive Gitterverspannung in den YSZ Schichten nahe den Phasengrenzen existiert. Diese Annahme wurde durch die Leitfähigkeitsmessungen bestätigt. Für RE = Lu ist hingegen ein leichter Anstieg der Gesamtleitfähigkeit zu erwarten da zwischen YSZ und Lu2O3 eine geringe dilative Fehlpassung vorliegt. Tatsächlich wurde eine leichte Verringerung der Leitfähigkeit für die Proben festgestellt, die mit 10 Hz abgeschieden wurden.Die Untersuchungen der mit 2 Hz abgeschiedenen Multischichtproben lieferten Ergebnisse, die nur schwer zu analysieren sind. Während die starke Abnahme der Leitfähigkeit mit steigender Grenzflächendichte, die für RE = Sc gefunden wurde, mit den Erwartungen übereinstimmt, ist die Streuung der Werte für RE = Lu zu groß, um eine verlässliche Aussage zuzulassen.