Epitaxial Thin Film Growth and Study of Charge and Mass Transport Properties of Mixed Ionic Electronic Conducting GdBaCo2O5+δ (GBCO)

Abstract

La investigación en nuevos óxidos de materiales con alta conductividad mixta iónica y electrónica (MIEC) es de gran importancia con el fin de conseguir un mejor rendimiento en una amplia gama de dispositivos que tienen considerable potencial en la conversión electroquímica de energía de forma limpia y baja en carbono. En el caso de celdas de combustible de óxido sólido (SOFC), a fin de reducir la temperatura de trabajo a rangos intermedios (500-750°C), se necesitan cátodos más activos. Estudios recientes han puesto de manifiesto el gran potencial del GdBaCo2O5+δ (GBCO) como cátodo en SOFC, con una conductividad electrónica alta por encima de la temperatura de transición metal-aislante, sobresalientes propiedades de transporte de oxígeno y un alto intercambio en superficie, así como una excelente estabilidad estructural y electroquímica. Sin embargo, hasta la fecha hay poca información sobre la conductividad iónica intrínseca de este compuesto. Para permitir la medición de las propiedades intrínsecas de transporte electrónico y en particular iónico, el mayor desafío es sintetizar muestras densas, continuas o idealmente capas epitaxiales de GBCO. El objetivo de este trabajo es obtener capas epitaxiales de GBCO crecidas mediante la técnica PLD con el fin de investigar sus propiedades anisotrópicas intrínsecas para aplicaciones en SOFC. Esta investigación involucro el sinterizado de los blancos y el proceso de deposición del material. Las películas obtenidas fueron caracterizadas cristalográfica, composiciónal, morfológica y microestructuralmente. Por último, las propiedades eléctricas, de difusión de oxígeno e intercambio de oxígeno en superficie fueron estudiadas mediante medidas de impedancia electroquímica e intercambio isotópico a través de perfiles de profundidad (IEDP) usando espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS). Después de un largo proceso de optimización, se obtuvieron películas epitaxiales de GBCO de alta calidad cristalina. La naturaleza del proceso de ablación del blanco estequiométrico de GBCO genera una desviación en la composición de las películas que básicamente consiste en un déficit de Co. Esta desviación de la composición induce la aparición de defectos de apilamiento con planos suplementarios de GdO sin afectar a la disposición general epitaxial de las películas. A pesar de los cambios observados en la orientación de las película con el eje c \\ (paralelo) a c⊥ (perpendicular) al sustrato con el aumento de la temperatura de deposición, la conductividad electrónica de las capas parece estar más correlacionada con la composición catiónica de las misma. Por lo tanto, cuanto mayor sea la desviación de la composición estequiométrica ideal, menor será la conductividad. Este efecto se ha atribuido principalmente a los defectos planares que impiden la consecución de un orden de largo alcance en la estructura. A pesar de la presencia de defectos, las conductividades en nuestras películas alcanza valores tan altos como 800 S/cm a temperaturas entre 300 y 400ºC. Lo cual hace considerar al GBCO muy prometedor para su aplicación como cátodos en SOFC de temperatura intermedia. También se demuestra que la elección apropiada sustrato permite crecer películas ya sea con orientación c⊥ o c \\ al sustrato. Esto ha permitido la exploración de la potencial anisotropía en el transporte de oxígeno y se demuestra que efectivamente, la difusión de oxígeno a bajas temperaturas es casi un orden de magnitud mayor a lo largo del eje a en comparación con el eje c. Esto se ha relacionado con la disposición de vacantes de oxígeno preferentemente en los planos GdO formando canales a lo largo del eje a, y por lo tanto proporcionando una ruta para la migración del oxígeno. Sin embargo, no se observó influencia de la anisotropía en el intercambio de oxígeno en superficie.

Research on new oxide materials with both high mixed ionic and electronic conductivity (MIEC) is of great importance in order to achieve optimum performance in a wide range of devices that have considerable potential for clean, low carbon, electrochemical energy conversion. In the case of solid oxide fuel cells (SOFCs), in order to reduce the working temperature to the intermediate range (500-750ºC), more active cathode materials are needed. Previous studies have highlighted the great potential of GdBaCo2O5+δ (GBCO), as a cathode in SOFC, with a high reported electronic conductivity above the metal-insulator transition temperature, outstanding oxygen transport properties and enhanced surface exchange, as well as excellent stability for both structural and electrochemical performance. However, to date there is an absence of information about intrinsic ionic conductivity of this GBCO compound. To enable measurement of intrinsic electronic and particularly ionic transport properties, the greatest challenge is to synthesize dense, continuous or ideally epitaxial specimens of GBCO. The aim of this work is to achieve well-defined epitaxial GBCO deposited by PLD technique in order to fundamentally investigate their intrinsic anisotropic properties for SOFC applications. This research involved PLD target synthesis and PLD deposition for these materials. The obtained films were evaluated through crystallographic, compositional, surface morphological and microstructural characterization. Finally electrical, oxygen diffusion and surface exchange properties were characterized by Electrochemical impedance and the isotopic exchange depth profile (IEDP) with secondary ion mass spectrometry (SIMS) method. After a long process of optimization, high-quality epitaxial GBCO films mainly consisting of double-perovskite regions were obtained by PLD. The nature of the ablation process from stoichiometric GBCO target generates a deviation in the composition of the films which basically consists in a Co depletion. This composition deviation induces the appearance of characteristic stacking faults with supplementary GdO planes without affecting the overall epitaxial arrangement of the films. Despite the observed changes in the film orientation from c\\ (parallel) to c⊥ (perpendicular) upon deposition temperature increase, the film electronic conductivities seem to be mainly correlated with the cation composition. So, the larger the deviation from stoichiometric ideal composition, the lower the conductivity. This effect has been mainly ascribed to the role of defects in impeding the achievement of a long-range order of the highly conducting Pmmm structure in the films. Despite the presence of defects, the conductivities in our films, which are considered very promising for their application as cathodes in intermediate temperature SOFCs, attain values as high as 800 S/cm at temperatures between 300 and 400ºC. It also demonstrates that the appropriate choice of substrate mismatch allows growing films with either pure c-axis or a-axis orientation. This has allowed exploration of the potential anisotropy in the oxygen transport and has proven that indeed the oxygen diffusion at low temperatures is almost one order of magnitude larger along the a-axis compared to the c-axis. This has been related to the arrangement of oxygen vacancies preferentially in the GdO planes forming channels along the a-axis, and therefore providing a path for oxygen migration. However, no influence of the structure anisotropy was observed in the oxygen surface exchange rates, which were of similar values regardless of the film orientation or measuring geometry.