采用脈沖激光沉積法，在單側拋光的STO基底上制備YSZ/STO/YSZ 超晶格薄膜。利用X 射線衍射、掃描電鏡和射頻阻抗/材料分析儀對多層膜的物相結構、表面形貌以及電學特性等進行表征。實驗結果發現，YSZ/STO/YSZ 超晶格薄膜在300 ～500℃之間，其電導活化能最小值為0.76 eV，在300℃時測得的電導率比體材料的電導率提高了三個數量級。

　　固體氧化物燃料電池( SOFC) 作為一種高效清潔的能源轉化裝置，可以將燃料燃燒的化學能直接轉化為電能。由于其高效、低污染等諸多優點正日益受到廣泛重視。決定SOFC性能的最主要因素是電解質材料離子電導率的大小，目前在SOFC中應用最普遍是釔穩定氧化鋯(YSZ) 電解質。YSZ 在高溫(≥900℃) 下有良好的離子電導性和化學穩定性以及優異的機械性能。

　　因此SOFC 須在高溫(900 ～1000℃) 下運行。如此高的工作溫度，導致電極材料的選擇范圍受到了限制，并且大大降低了SOFC的使用壽命和電池材料的穩定性。如果將電池的工作溫度降至600 ～800℃( 所謂中溫) ，或者更低溫度300 ～500℃(低溫) ，或者室溫，就可避免電池組件間的相互作用及電極的燒結退化，電池壽命也可望延長幾十倍，可以大大提高電池的效率和降低生產成本。

　　降低SOFC的工作溫度的方法大多采用薄膜技術，將YSZ膜厚度降低為10 ～100 μm，在500 ～700℃的中溫范圍內工作。2006 年，Joo 等報道了YSZ 薄膜電解質可提高電導率，Bailly 等通過靜電噴涂沉積法獲得500 nm 厚的YSZ 薄膜電解質，其電導率低于體材料的電導率，Garbayo 等研究了YSZ薄膜電解質與無支撐結構的YSZ厚膜相比，其電導率增加了一個數量級。

　　本文中，在單側拋光的SrTiO3(STO) 單晶襯底上制備總厚度為600nm 的螢石結構和鈣鈦礦結構交迭兩個周期形成三層YSZ/STO/YSZ 超晶格電解質薄膜，這是一種新型的電解質，由于交迭層晶格失配導致超晶格界面區存在大量氧離子空位，從而形成更多氧離子通過的開放通道，而不必由一個原子傳送給另一個原子，以期這類超晶格電解質材料在低溫下具有更好的離子導電性。

　　1、實驗

　　采用中科院沈陽科學儀器廠生產的PLD-450型脈沖激光濺射儀，腔室內裝有四個獨立靶位，激光器為美國相干公司(Coherent Inc. ) 生產的COMPexPro201型脈沖準分子激光器，濺射靶材采用高純YSZ( 0.08Y2O3：0.92ZrO2) 靶材和STO 靶材(純度為99.99%) 。將YSZ 靶材、STO靶材和STO襯底固定在相應樣品架上，襯底和YSZ靶材距離為5 cm，激光器工作模式為恒壓26 kV，激光能量在650 ～690 mJ，頻率為5 Hz。在STO襯底上交替燒蝕YSZ靶材和STO靶材形成YSZ/STO/YSZ超晶格電解質薄膜，沉積溫度分別為400，500，600 和700℃，濺射次數分別為104次，燒蝕前需除去靶材表面氧化層和其它雜質，然后打開擋板濺射，通過調節激光的能量以及脈沖次數來控制薄膜的厚度，通過調整高純Ar 和O2氣體流量比來達到所需濺射氧氣含量，氧分壓5 Pa，然后將樣品在1000℃下熱處理2 h。為討論問題方便起見，分別將不同沉積溫度的樣品編號如表1。

表1 不同沉積溫度的樣品編號

　　采用X 射線衍射儀(XRD，D8-ADVANCE型，德國BRUKDR) 進行物相結構分析，輻射源為CuKα線，電壓40.0 kV，電流50mA，掃描范圍2θ：10° ～80°，掃描速率10° /min，利用掃描電子顯微鏡(SEM，S-4800 型，日立) 觀察薄膜表面和橫斷面形貌，利用Agilent 4291B 型射頻阻抗/材料分析儀測試YSZ /STO/YSZ 超晶格電解質薄膜交流阻抗譜。

　　3、結論

　　采用PLD技術在單側拋光的STO單晶基底上成功地沉積了致密的YSZ/STO/YSZ 超晶格電解質薄膜，并對其物相、表面形貌、截面形貌及電學性能進行測試分析得出以下結論：

　　(1) 使用PLD技術在STO單晶基底上沉積厚度約為600nm 的致密YSZ/STO/YSZ超晶格電解質薄膜，在(111) 晶向上擇優生長。沉積溫度為600℃時，薄膜具有最佳的結晶度。

　　(2) 在溫度350 ～500℃范圍內，YSZ/STO/YSZ超晶格電解質薄膜電導活化能分別為0.81，0.79，0.76，0.77 eV，比YSZ 體材料的活化能明顯減小，在300℃時測得的電導率比體材料提高了三個數量級，是較好的低溫固體燃料電池電解質。