JP5914846B2 - 酸化物膜およびプロトン伝導デバイス - Google Patents
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Description
前記酸化物は、化学式A1-x(E1-yGy)Ozによって表され、
ここで、
Aは、Ba、Sr、及びCaからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を表し、
Eは、Zr、Hf、In、Ga、及びAlからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を表し、
Gは、Y、La、Ce、及びGdからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を表し、および
以下の5つの全ての数式(I)〜(V)が充足される。
0.2≦x≦0.5 (I)
0.1≦y≦0.7 (II)
z<3 (III)
0.3890ナノメートル≦a≦0.4190ナノメートル (IV)
0.95≦a/c<0.98 (V)
ここで、
a、b、およびcは、前記ペロブスカイト結晶構造の格子定数を表し、かつ
以下の2つの数式(VIa)または(VIb)のいずれか一方が充足される。
a≦b<c (VIa)
a<b≦c (VIb)
単結晶基板、および
前記単結晶基板上に位置する酸化物膜
を具備し、
前記酸化物膜は、上記酸化物膜である。
酸化物膜、および
前記酸化物膜の少なくとも一方の面に設けられたプロトン透過性またはガス透過性の導電体
具備し、
前記酸化物膜は、上記酸化物膜である。
以下、第1実施形態による酸化物膜が説明される。
0.2≦x≦0.5 (I)
0.1≦y≦0.7 (II)
z<3 (III)
0.3890ナノメートル≦a≦0.4190ナノメートル (IV)
0.95≦a/c<0.98 (V)
ここで、
a、b、およびcは、前記ペロブスカイト結晶構造の格子定数を表し、
以下の2つの数式(VIa)または(VIb)のいずれか一方が充足される。
a≦b<c (VIa)
a<b≦c (VIb)
0.1≦x≦0.5 (Ia)
0.3≦x≦0.5 (Ib)
数式(Ib)が充足される場合、酸化物膜102はより高いプロトン伝導性を示す。
0.3≦y≦0.5 (IIa)
z=3−x−w/2 (x)
ここで、wは、Bサイトに含まれる元素のうち、4価の金属(B4)に対する3価の金属(B3)の置換量を表す。化学式A1-x(E1-yGy)Ozによって表される酸化物は、A1-xB41-wB3wOzと表され得る。例えば、化学式A1-x(E1-yGy)Ozによって表される酸化物の1つはBa0.5Zr0.8Y0.2Ozである。x=0.5、w=0.2のため、zは2.4に等しい。zはz≦2.5の範囲にあることが望ましい。化学量論的なわずかなずれは許容されるべきである。
a≦b<c (VIa)
a<b≦c (VIb)
図2Bは、数式(VIa)が充足される場合を示す。図2Bでは、ペロブスカイト結晶構造は(001)配向を有する。図2Cは、数式(VIb)が充足される場合を示す。図2Cでは、ペロブスカイト結晶構造は(100)配向を有する。
0.3890ナノメートル≦a≦0.4040ナノメートル (IVa)
0.95≦a/c<0.975 (Va)
図6は、第2実施形態によるプロトン伝導デバイス54の模式図を示す。図4に示される場合と同様に、プロトン伝導デバイス54は、基板101、基板上に位置する第1混合伝導性酸化物膜103、第1混合伝導性酸化物膜103上に位置する酸化物膜102、酸化物膜102上に位置する第2混合伝導性酸化物膜104を備えている。酸化物膜102は、第1主面102aおよび第2主面102bを有する。第1主面102aおよび第2主面102bは、それぞれ第1混合伝導性酸化物膜103および第2混合伝導性酸化物膜104に接する。
本発明が、以下の実施例を参照しながらさらにより詳細に説明される。
実施例1では、以下のように酸化物膜102が作製された。
スパッタリングターゲットがBa0.6Zr0.9Y0.1O2.55の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたBa0.6Zr0.9Y0.1O2.55膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1の場合と同様に測定および計算された。図11は、実施例2における温度およびプロトン伝導度の関係を示すグラフである。このグラフは、アレニウスの式を用いて作成された。表3は、このグラフを作成するために摂氏100度〜摂氏600度の温度で測定されたプロトン伝導度を示す。
スパッタリングターゲットがBa0.8Zr0.7Y0.3O2.65の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたBa0.8Zr0.7Y0.3O2.65膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがSr0.6Zr0.5Y0.5O2.35の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたSr0.6Zr0.5Y0.5O2.35膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがCa0.5Zr0.6Y0.4O2.3の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたCa0.5Zr0.6Y0.4O2.3膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがCa0.6Zr0.8Y0.2O2.5の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたCa0.6Zr0.8Y0.2O2.5膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがCa0.8Zr0.9Y0.1O2.75の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたCa0.8Zr0.9Y0.1O2.75膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.7Zr0.8Y0.2O2.6の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたBa0.7Zr0.8Y0.2O2.6膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.7Zr0.4Y0.6O2.4の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたBa0.7Zr0.4Y0.6O2.4膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.7Zr0.3Y0.7O2.35の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたBa0.7Zr0.3Y0.7O2.35膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.5Zr0.8Y0.2O2.4の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたBa0.5Zr0.8Y0.2O2.4膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.5Zr0.6Y0.4O2.3の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたBa0.5Zr0.6Y0.4O2.3膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.5Zr0.5Y0.5O2.25の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたBa0.5Zr0.5Y0.5O2.25膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.5Zr0.4Y0.6O2.2の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたBa0.5Zr0.4Y0.6O2.2膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.5Zr0.3Y0.7O2.15の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたBa0.5Zr0.3Y0.7O2.15膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.8Zr0.6Hf0.1Y0.2Ce0.1O2.7の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。実施例16では、酸化物膜102は熱処理に曝されなかった。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.7Zr0.5In0.2Y0.2La0.1O2.45の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。実施例16では、酸化物膜102は熱処理に曝されなかった。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.6Zr0.4Ga0.1Y0.3Gd0.2O2.3の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。実施例16では、酸化物膜102は熱処理に曝されなかった。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.5Zr0.3Al0.1Y0.3Ce0.3O2.3の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。実施例16では、酸化物膜102は熱処理に曝されなかった。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.5Hf0.3Al0.1Y0.3Ce0.3O2.3の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。実施例16では、酸化物膜102は熱処理に曝されなかった。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.5Zr0.3Al0.1Ce0.6O2.45の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。実施例16では、酸化物膜102は熱処理に曝されなかった。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
実施例22では、以下のように酸化物膜102が形成された。
スパッタリングターゲットがBa1.0Zr0.7Y0.3O2.85の組成を有していたこと、およびスパッタ装置内でMgO基板が摂氏400度に加温されたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。比較例1では、酸化物膜102は熱処理に曝されなかった。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa0.9Zr0.9Y0.1O2.85の組成を有していたこと、およびスパッタ装置内でMgO基板が摂氏400度に加温されたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。比較例2では、酸化物膜102は熱処理に曝されなかった。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa1.0Zr0.5Y0.5O2.75の組成を有していたこと以外は、実施例1と同様に酸化物膜102が形成された。酸化物膜102として得られたBa1.0Zr0.5Y0.5O2.75膜は、0.1Pa以下の真空雰囲気で摂氏1000度の温度下で10分間、熱処理に曝された。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
スパッタリングターゲットがBa1.0Zr0.7Y0.3O2.85の組成を有していたことおよびスパッタ装置内でSi基板が摂氏400度に加温されたこと以外は、実施例22と同様に酸化物膜102が形成された。比較例4では、酸化物膜102は熱処理に曝されなかった。次いで、酸化物膜102のプロトン伝導度、活性化エネルギー、および格子定数が、実施例1と同様に測定および計算された。
0.3890ナノメートル≦a≦0.4190ナノメートル (IV)
0.95≦a/c<0.98 (V)
0.2≦y≦0.6 (IIb)
0.3≦x≦0.5 (Ia)
0.3≦y≦0.5 (IIa)
z≦2.5 (IIIa)
これらの実施例においては、熱処理が行われている。
53 プロトン伝導体
54 プロトン伝導デバイス
101 基板
101a 基板の主面
101h 孔
102 酸化物膜
102a 第1主面
102b 第2主面
103 第1混合伝導性酸化物膜
104 第2混合伝導性酸化物膜
201 インピーダンスアナライザー
304 第1アルミナ管
305 第2アルミナ管
306 直流電源
Claims (12)
- ペロブスカイト結晶構造を有する酸化物によって構成される酸化物膜であって、
前記ペロブスカイト結晶構造は正方晶またはた斜方晶を有し、
前記酸化物は、化学式A1-x(E1-yGy)Ozによって表され、
ここで、
Aは、Ba、Sr、及びCaからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を表し、
Eは、Zr、Hf、In、Ga、及びAlからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を表し、
Gは、Y、La、Ce、及びGdからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を表し、
以下の5つの全ての数式(I)〜(V)が充足され、
0.2≦x≦0.5 (I)
0.1≦y≦0.7 (II)
z<3 (III)
0.3890ナノメートル≦a≦0.4190ナノメートル (IV)
0.95≦a/c<0.98 (V)
ここで、
a、b、およびcは、前記ペロブスカイト結晶構造の格子定数を表し、かつ
以下の2つの数式(VIa)または(VIb)のいずれか一方が充足される酸化物膜。
a≦b<c (VIa)
a<b≦c (VIb) - 請求項1に記載の酸化物膜であって、
前記酸化物膜は、(100)配向または(001)配向を有する酸化物膜。 - 請求項1に記載の酸化物膜であって、
前記酸化物膜は、5マイクロメートル以下の厚さを有する酸化物膜。 - 請求項1に記載の酸化物膜であって、
さらに以下の2つの数式(IVa)および(Va)の両方が充足される酸化物膜。
0.3890ナノメートル≦a≦0.4040ナノメートル (IVa)
0.95≦a/c<0.975 (Va) - 請求項1に記載の酸化物膜であって、
さらに以下の数式が充足される酸化物膜。
0.2≦y≦0.6 - 請求項1に記載の酸化物膜であって、
さらに以下の3つの全ての数式(Ia)、(IIa)、および(IIIa)が充足される酸化物膜。
0.3≦x≦0.5 (Ia)
0.3≦y≦0.5 (IIa)
z≦2.5 (IIIa) - プロトン伝導体であって、
単結晶基板、および
前記単結晶基板上に位置する酸化物膜
を具備し、
前記酸化物膜は、請求項1に記載の酸化物であるプロトン伝導体。 - 請求項7に記載のプロトン伝導体であって、
前記単結晶基板は、前記酸化物膜よりも大きい線膨張係数を有するプロトン伝導体。 - 請求項8に記載のプロトン伝導体であって、
前記単結晶基板は、酸化マグネシウムから形成されるプロトン伝導体。 - 請求項7に記載のプロトン伝導体であって、
前記単結晶基板は、前記酸化物膜よりも小さい線膨張係数を有するプロトン伝導体。 - 請求項10に記載のプロトン伝導体であって、
前記単結晶基板は、シリコンから形成されるプロトン伝導体。 - プロトン伝導体であって、
酸化物膜、および
前記酸化物膜の少なくとも一方の面に設けられたプロトン透過性またはガス透過性の導電体
を具備し、
前記酸化物膜は、請求項1に記載の酸化物膜であるプロトン伝導体。
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