Полідоменна сегнетоеластична структура та її взаємодія з точковими дефектами в твердотілих оксидних електролітах

Abstract

Дисертація присвячена дослідженню впливу сегнетоеластичної доменної структури твердих йонних електролітів для паливних елементів на основі оксиду цирконію та галату лантану та процесів впорядкування у них точкових дефектів на йонну провідність цих матеріалів. У дисертації встановлено існування шевроноподібних конфігурацій доменної структури кристалів ZrO2:Sc2O3 (10 мол. %) та La0,95Sr0,05Ga0,9Mg0,1O3-δ (LSGM-05) у ромбоедричній та орторомбічній фазах, відповідно. Встановлено просторовий розподіл інтенсивності дифузного розсіювання у кристалах LSGM-05 та LSGM-10 (La0,9Sr0,1Ga0,8Mg0,2O3-δ), який свідчить про локалізацію кисневих вакансій у певних кристалографічних зонах. Показано можливість підвищення йонної провідності твердих електролітів у напрямку проходження струму шляхом керування доменною структурою за допомогою прикладання механічного тиску, що спричиняє перенаправлення доменних стінок у потрібному напрямку. Диссертация посвящена исследованию влияния сегнетоэластической доменной структуры твердых ионных электролитов для топливных элементов на основе оксида циркония и галлата лантана и процессов упорядочение точечных дефектов на ионную проводимость этих материалов. В диссертации установлено существование шевроноподобных конфигураций доменной структуры кристаллов ZrO2:Sc2O3 (10 мол. %) и La0,95Sr0,05Ga0,9Mg0,1O3-δ (LSGM-05) в ромбоэдрической и орторомбической фазах, соответственно. Установлено пространственное распределение интенсивности диффузионного рассеивания в кристаллах LSGM-05 и LSGM-10 (La0,9Sr0,1Ga0,8Mg0,2O3-δ), которое свидетельствует о локализации кислородных вакансий в определённых кристаллографических зонах. Показана возможность повышения ионной проводимости твердых электролитов в направлении протекания электрического тока путем управления доменной структурой с помощью прикладывания механического давления, что приводит к перенаправлению доменных стенок в нужном направлении.The thesis is devoted to investigation of the influence of ferroelastic domain structure of solid ionic electrolytes based on zirconia and lanthanum gallate and point defects ordering on the ionic conductivity of these materials. Twinning in ZrO2:Sc2O3 (10 mol. %) fluorite-type crystals and La0.95Sr0.05Ga0.9Mg0.1O3-δ (LSGM-05) perovskite-type crystals was studied experimentally using the Laue method. A domain structure of both crystals has been identified. In the rhombohedral phase of ZrO2:Sc2O3 (10 mol. %), four domains formed by W-type domain walls (101)с, (001)с and (100)с occur. In orthorhombic LSGM-05, four domains formed by W-type domain walls (21 1)o, (2 11)o and (01 1)o occur. An intersection of these walls leads to the formation of a chevron-like pattern. This results in a stress-free co-existence of four different orientation states. A spatial distribution of diffuse scattering intensity in LSGM-05 and LSGM-10 (La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ) crystals was analysed. This distribution shows that oxygen vacancies in the crystals are localized in certain crystallographic zones. An intensity of observed diffuse scattering is changed with heating. The streaks of diffuse scattering disappear almost completely after heating of the mentioned crystals to 570 and 598 K, respectively, and reappear after cooling down to room temperature. The thermal behaviour of the diffuse scattering is associated with a fast moving of oxygen ions in LSGM. It is shown that reorientation of the domain wall configuration in the LSGM-05 crystal plate occurs as result of a mechanical pressure. This feature may be used in practice in view of the fact that the preparation of electrolyte and electrode ceramics for solid oxide fuel cells includes a compaction as one of the synthesis stages. The compaction leads to unidirectional mechanical stresses. The mechanical pressure imposed to such an electrolyte pellet causes the rearrangement of the twin structure of “chevron cells” in ceramic grains along the direction parallel to the imposed pressure. Hence, such pressure will cause remembering of the twin “chevrons” texture in electrolyte layers along the direction of oxygen diffusion in the structure of solid oxide fuel cells. Keeping in mind the influence of twin walls on the conductivity and high density of twin walls in LSGM, it is supposed that texturing of the twins (e.g. reorientation of “chevron cells”) increases the conductivity of the LSGM perovskite-type electrolyte along the cathode-anode direction.