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掺杂CeO2基电解质材料替代传统的YSZ电解质材料是发展中温固体氧化物燃料电池的趋势,是目前SOFC领域的研究热点之一。掺杂浓度为10%～20%左右的Gd2O3掺杂的CeO2（GDC）电解质因在400—700℃温度下具有较高离子电导率,使其成为最有希望的替代材料之一。为了满足电解质材料薄膜化、中温化的发展趋势,早日实现固体氧化物燃料电池商业化,尚需对GDC电解质材料制备工艺的改善和离子电导率的提高进行更加深入的研究,这对推动中温固体氧化物燃料电池的发展具有非常重要的应用价值。 本文采用反应射频磁控溅射方法,利用Gd/Ce镶嵌复合靶,探索厚度2微米以下GDC薄膜的制备工艺。重点探讨了基片温度与氧分压对薄膜成分、物相、生长取向、晶粒大小、粗糙度等表面形貌的影响,以及不同生长条件下薄膜的表面演化行为,取得的主要研究结果如下: 1.沉积温度对GDC薄膜生长行为影响的研究结果表明:基片温度对GDC薄膜成分的影响较小。不同温度下制备的薄膜中,面心立方结构GDC固溶体相占主导,同时存在少量体心立方结构Gd2O3中间相。GDC薄膜的生长取向随基片温度而变化,200℃时,无择优取向,500℃时薄膜呈现（220）织构,700℃则为（111）择优取向。薄膜沉积速率随基片温度升高基本呈下降趋势。AFM分析表明,薄膜为岛状生长,随温度升高,表面生长岛尺寸增大,岛密度变小;200℃温度下,GDC薄膜进行高沉积速率下的低粗糙化生长,而300℃以上温度范围内,GDC薄膜发生以晶粒择优生长为主导的表面粗化生长。 2.氧分压对GDC薄膜生长行为影响的研究结果表明:氧分压对薄膜成分的影响较小。在氧分压较小时,薄膜呈现（111）织构面心立方萤石结构GDC固溶体单相;在高氧分压条件下,薄膜中（220）织构的面心立方GDC固溶体多晶相占主导,同时出现少量体心立方结构的Gd2O3中间相。AFM分析表明,低氧分压时,薄膜表面生长岛之间相互结合成具有一定取向关系的生长岛链,这与GDC相很强的（111）织构有关;随着氧分压的增高,球形生长岛尺寸逐渐增大。在高氧分压条件下,薄膜的表面为孤立的不规则生长岛。适当地提高活性气体氧的分压有利于晶粒长大,但过高的氧分压造成了薄膜表面生长岛粗糙且不规则的形貌。从薄膜的表面粗糙化机理上看,低氧分压下,薄膜溅射速率高,厚度大,GDC薄膜表面为以晶粒择优生长与阴影效应为主导的表面粗糙化生长;而高氧分压下,由于等离子体中大量氧负离子在薄膜表面的反溅射刻蚀,造成薄膜表面粗糙度进一步增大。