Structure and conductivity of yttria and scandia‐doped zirconia crystals grown by skull melting

Abstract

In this paper a detailed study of the (ZrO2)1‐x(Y2O3)x (x=0.025–0.15), (ZrO2)1‐x(Sc2O3)x (x = 0.06 – 0.11) and (ZrO2)1‐x‐y(Sc2O3)x(Y2O3)y (x=0.07 – 0.11; y=0.01 – 0.04) solid solution crystals grown by skull melting technique is presented. The structure, phase composition, and ion conductivity of the obtained crystals were investigated by X‐ray diffraction, transmission electron microscopy, Raman scattering spectroscopy, and impedance spectroscopy. Maximum conductivity as (ZrO2)1‐x(Y2O3)x and (ZrO2)1‐x(Sc2O3)x solid solution crystals is observed for the compositions containing 10 mol% stabilizing oxide, and the conductivity of 10ScSZ is ~3 times higher than for 10YSZ. Experiments on crystal growth (ZrO2)1‐x‐y(Sc2O3)x(Y2O3)y solid solutions showed that uniform, transparent crystals 7Sc3YSZ, 7Sc4YSZ, 8Sc2YSZ, 8Sc3YSZ, 9Sc2YSZ, 9Sc3YSZ, 10Sc1YSZ, and 10Sc2YSZ are single phase crystal containing t″ phase. It is established that a necessary condition of melt growth of (ZrO2)1‐x‐y(Sc2O3)x(Y2O3)y single‐phase crystals is the total concentration of the stabilizing oxides from 10 to 12 mol%. The addition of Y2O3 affects the (ZrO2)1‐x‐y(Sc2O3)x(Y2O3)y solid solution conductivity different ways and depends on the Sc2O3 content in the starting composition. The effects of structure, phase composition, concentration, and type of stabilizing oxides on the electrical characteristics of obtained crystals are discussed.

Теплопроводность монокристаллов твердых растворов на основе ZrO-=SUB=-2-=/SUB=-, стабилизированных оксидами скандия и иттрия, в интервале температур 50-300 K

“…Стабилизация диоксида циркония оксидом скандия не позволяет вырастить монокристаллы 9ScSZ и 10ScSZ оптически однородными и прозрачными, что свидетельствует о сохранении фазовых переходов и неоднофазности материала при комнатных температурах [7]. Дополнительное введение в состав монокристаллов оксида иттрия привело к получению прозрачных однородных кристаллов 8Sc2YSZ, 9Sc2YSZ, 10Sc1YSZ, 10Sc2YSZ [16].…”

“…При использовании в качестве стабилизатора оксида скандия, твердые растворы, как и в случае оксида иттрия, кристаллизуются из расплава с кубической флюоритовой структурой, а в процессе охлаждения в них происходят фазовые превращения. Гетеровалентное замещение катионов циркония (4+) на катионы скандия (3+), так же как и на катионы иттрия (3+), способствует Фазовый состав скандийсодержащих кристаллов, структура и физико-химические свойства существенно отличаются от таковых для кристаллов, стабилизированных оксидом иттрия [7]. В ранее опубликованных нами работах [7,16] показано, что кристаллы 9ScSZ и 10ScSZ неоднофазные, в то время как кристаллы 9ScSZ являются тетрагональными, кристаллы 10ScSZ -кубические, но те и другие содержат локальные включения ромбоэдрической фазы.…”

“…Гетеровалентное замещение катионов циркония (4+) на катионы скандия (3+), так же как и на катионы иттрия (3+), способствует Фазовый состав скандийсодержащих кристаллов, структура и физико-химические свойства существенно отличаются от таковых для кристаллов, стабилизированных оксидом иттрия [7]. В ранее опубликованных нами работах [7,16] показано, что кристаллы 9ScSZ и 10ScSZ неоднофазные, в то время как кристаллы 9ScSZ являются тетрагональными, кристаллы 10ScSZ -кубические, но те и другие содержат локальные включения ромбоэдрической фазы. Результаты исследования [17] показали, что кристаллы 8Sc2YSZ, 9Sc2YSZ, 10Sc1YSZ и 10Sc2YSZ являются однофазными кубическими со структурой флюорита.…”

“…Исследование наноразмерных структур в кристаллах, стабилизированных оксидами скандия и иттрия, показало [7,17], что двойникование связано с фазовыми переходами кубической фазы либо в тетрагональную, либо в ромбоэдрическую фазу и носит различный характер. Формирование двойниковой структуры при кубическо-тетрагональном переходе в кристаллах 9ScSZ аналогично формированию двойниковой структуры в кристаллах ZrO 2 −Y 2 O 3 [7,16]. С помощью просвечивающей микроскопии получено изображение двойников в тетрагональном кристалле 9ScSZ (рис.…”

“…Материалы на основе диоксида циркония широко используются в технике и медицине благодаря таким их свойствам, как высокие механические и оптические характеристики, низкая теплопроводность, высокая ионная проводимость, химическая и биологическая стойкость [1][2][3]. Эти свойства определяют возможности практического использования в микро-и оптоэлектронике в виде диэлектрических подложек и тонких пленок [4,5], делают чрезвычайно перспективным их применение в качестве твердых электролитов в виде пленок и тонких мембран в различных электрохимических устройствах для датчиков кислорода, кислородных насосов и твердооксидных топливных элементов [6,7], позволяют находить применение в фотонике в качестве пассивных, активных оптических материалов [8,9], способствуют их широкому использованию для защитных и термобарьерных покрытий [9,10], а также в медицине для имплантатов и зубных протезов.…”