mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2015-4-246-254mateltech-222Research ArticleМатериаловедение и технология. ДиэлектрикиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. DIELECTRICSВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ ОКСИДА ИТТРИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ (ZrO₂)0,91−x(Sc₂O₃)0,09(Y₂O₃)х (x = 0÷0,02)INFLUENCE OF YTTRIA DOPANT ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES of (ZrO₂)0,91−x(Sc₂O₃)0,09(Y₂O₃)х (x = 0÷0,02) crystalsАгарковД. А.AgarkovD. A.

Агарков Дмитрий Александрович — младший научный сотрудник 

ул. Академика Осипьяна д. 2, Черноголовка, Московская обл., 142432

Dmitry A. Agarkov — Junior Researcher

2 Academician Ossipyan Str., Chernogolovka, Moscow District 142432

agarkov@issp.ac.ruБорикМ. А.BorikM. A.

Борик Михаил Александрович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник 

ул. Вавилова, д. 38, Москва, 119991

Mikhail A. Borik — Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher 

38 Vavilov Str., Moscow 119991

boric@lst.gpi.ruБредихинС. И.BredihinS. I.

Бредихин Сергей Иванович — доктор физико-математических наук, зам. директора, заведующий лабораторией спектроскопии дефектных структур.

Академика Осипьяна д. 2, Черноголовка, Московская обл., 142432

Sergey I. Bredihin — Dr. Sci. (Phys.−Math.), Deputy Director, Head of Laboratory 

2 Academician Ossipyan Str., Chernogolovka, Moscow District 142432

bredikh@issp.ac.ruБубликВ. Т.BublikV. T.

Бублик Владимир Тимофеевич — доктор физико-математических наук, профессор 

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Vladimir T. Bublik — Dr. Sci. (Phys.−Math.), Professor 

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

bublik_vt@rambler.ruИсхаковаЛ. Д.IskhakovaL. D.

Исхакова Людмила Дмитриевна — кандидат химических наук, зав. аналитическим центром «Научный центр волоконной оптики РАН» 

ул. Вавилова, д. 38, Москва, 119991

Ludmila D. Iskhakova — Cand. Sci. (Chem.), Head of the Analytical Center 

38 Vavilov Str., Moscow 119991

ldisk@fo.gpi.ruКулебякинА. В.KulebyakinA. V.

Кулебякин Алексей Владимирович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник 

ул. Вавилова, д. 38, Москва, 119991

Aleksej V. Kulebyakin — Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

38 Vavilov Str., Moscow 119991

kulebyakin@lst.gpu.ruКурицынаИ. Е.KuritsynaI. E.

Курицына Ирина Евгеньевна — младший научный сотрудник 

ул. Академика Осипьяна д. 2, Черноголовка, Московская обл., 142432

Irina E. Kuritsyna — Junior Researcher 

2 Academician Ossipyan Str., Chernogolovka, Moscow District 142432

koneva@issp.ac.ruЛомоноваЕ. Е.LomonovaE. E.

Ломонова Елена Евгеньевна — доктор технических наук, зав. лабораторией 

ул. Вавилова, д. 38, Москва, 119991

Elena E. Lomonova — Dr. Sci. (Eng.), Head of Laboratory 

38 Vavilov Str., Moscow 119991

lomonova@lst.gpi.ruМиловичФ. О.MilovichF. O.

Милович Филипп Олегович — инженер

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Filipp O. Milovich — Engineer 

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

philippmilovich@gmail.comМызинаВ. А.MyzinaV. А.

Мызина Валентина Алексеевна — научный сотрудник

ул. Вавилова, д. 38, Москва, 119991

Valentina A. Myzina — Researcher 

38 Vavilov Str., Moscow 119991

vamyzina@lst.gpi.ruСеряковС. В.SeryakovS. V.

Sergei V. Seryakov— Junior Researcher , Postgraduate Student of MISIS 

38 Vavilov Str., Moscow 119991

Germes.seryakov@yandex.ruТабачковаН. Ю.TabachkovaN. Yu.

Табачкова Наталия Юрьевна — кандидат физико-математических наук, доцент 

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Nataliya Yu. Tabachkova — Cand. Sci. (Phys.−Math.), Assoc. Prof. 

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

ntabachkova@gmail.comФГБУН Институт физики твердого тела Российской академии наукРоссияInstitute of Solid State Physics RASRussian FederationИнститут общей физики им. А. М. Прохорова РАНРоссияProkhorov General Physics Institute RASRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology «MISIS»,Russian FederationИнститут общей физики им. А. М. Прохорова РАН; Научный центр волоконной оптики РАНРоссияProkhorov General Physics Institute RAS; Fiber Optics Research Center RASRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology «MISIS»Russian FederationИнститут общей физики им. А. М. Прохорова РАН; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияProkhorov General Physics Institute RAS; National University of Science and Technology «MISIS»Russian Federation201513122017184246254Copyright © Агарков Д.А., Борик М.А., Бредихин С.И., Бублик В.Т., Исхакова Л.Д., Кулебякин А.В., Курицына И.Е., Ломонова Е.Е., Милович Ф.О., Мызина В.А., Серяков С.В., Табачкова Н.Ю., 20172017Агарков Д.А., Борик М.А., Бредихин С.И., Бублик В.Т., Исхакова Л.Д., Кулебякин А.В., Курицына И.Е., Ломонова Е.Е., Милович Ф.О., Мызина В.А., Серяков С.В., Табачкова Н.Ю.Agarkov D.A., Borik M.A., Bredihin S.I., Bublik V.T., Iskhakova L.D., Kulebyakin A.V., Kuritsyna I.E., Lomonova E.E., Milovich F.O., Myzina V.А., Seryakov S.V., Tabachkova N.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/222

Исследовано влияние на фазовый состав, структуру и электрофизические свойства полученных кристаллов введения в твердые растворы ZrO2 — 9 % (мол.) Sc2O3 дополнительного легирующего оксида Y2O3 в количестве 1 и 2 % (мол.). Показано, что совместная стабилизация 9 % (мол.) Sc2O3 и 2 % (мол.) Y2O3 твердых растворов на основе ZrO2 позволяет получить прозрачные однородные кристаллы с кубической структурой, которые обладают высокой фазовой устойчивостью. Установлено, что механическое измельчение таких кристаллов не изменило их фазовый состав, в порошках сохранилась исходная флюоритовая структура кристаллов. Выявлено, что все исследованные кристаллы обладали высокой микротвердостью и низкой трещиностойкостью. Увеличение концентрации Y2O3 в кристаллах обусловило уменьшение максимальных нагрузок на индентор, которые выдерживал образец без появления трещин. Показано, что удельная проводимость носит немонотонный характер в зависимости от концентрации Y2O3 в кристаллах. Увеличение в составе твердого электролита содержания Y2O3 до 2 % (мол.) уменьшило проводимость кристаллов во всем диапазоне температур, что связано со снижением подвижности носителей заряда из−за увеличения ионного радиуса стабилизирующего иона. 

We have studied the influence of dopant Y2O3 oxide (1 and 2 mol.%) on the phase composition, structure and electrical properties of the ZrO2 — 9 mol.% Sc2O3 solid solution. We have shown that stabilization of ZrO2 jointly with 9 mol.% Sc2O3 and 2 mol.% Y2O3 allows one to obtain transparent homogeneous crystals with a cubic structure which have a high phase stability. Mechanical grinding of these crystals did not lead to a change in the phase composition of the powders. The powders inherited the original structure of the fluorite crystals. All the test crystals had high microhardness and low fracture toughness. Increasing the concentration of Y2O3 in crystals led to the need to reduce maximum loads on the indenter that the sample could withstand without cracking. We have shown that the conductivity varies nonmonotonically with increasing Y2O3 concentration in the crystals. An increase in the Y2O3 content to 2 mol. % in the composition of the solid electrolyte reduces the conductivity of the crystals in entire temperature range which is caused with a decrease in carrier mobility due to increasing ion radius of the stabilizing ion.

твердые электролитыдиоксид циркониярост кристалловмонокристаллыфазовые переходыsolid electrolyteszirconiacrystal growthsingle crystalsphase transitionstwinsionic conductivitymechanical propertiesРоссийский фонд фундаментальных исследований (№ 14−29−04081 и № 13−03−12408).Russian Federal Property Foundation (grants Nos. 14–29–04081 and 13–03–12408)ReferencesBadwal, S. P. S. Scandia−zirconia electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cell operation / S. P. S. Badwal, F. T. Ciacchi, D. Milosevic // Solid State Ionics. − 2000. − V. 136–137. − P. 91—99. DOI: 10.1016/S0167−2738(00)00356-8Badwal S. P. S., Ciacchi F. T., Milosevic D. Scandia−zirconia electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cell operation. Solid State Ionics, 2000, vol. 136–137, pp. 91—99. DOI: 10.1016/S0167-2738(00)00356-8Kharton, V. V. Transport properties of solid oxide electrolyte ceramics: a brief review / V. V. Kharton, F. M. B. Marques, A. Atkinson // Solid State Ionics. − 2004. − V. 174, iss. 1–4. − P. 135—149. DOI: 10.1016/j.ssi.2004.06.015Kharton V. V., Marques F. M. B., Atkinson A. Transport properties of solid oxide electrolyte ceramics: a brief review. Solid State Ionics, 2004, vol. 174, no. 1–4, pp. 135—149. DOI: 10.1016/j. ssi.2004.06.015Fergus, J. W. Electrolytes for solid oxide fuel cells / J. W. Fergus // J. Power Sources. − 2006. − V. 162, iss. 1. − P. 30—40. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2006.06.062Fergus J. W. Electrolytes for solid oxide fuel cells. J. Power Sources, 2006, vol. 162, no. 1, pp. 30—40. DOI: 10.1016/j.jpowsour. 2006.06.062Yokokawa, H. Solid oxide electrolytes for high temperature fuel cells / H. Yokokawa, N. Sakai, T. Horita, K. Yamaji, M. E. Brito // Electrochemistry. − 2005. − V. 73, iss. 1. − P. 20—30.Yokokawa H., Sakai N., Horita T., Yamaji K., Brito M. E. Solid oxide electrolytes for high temperature fuel cells. Electrochemistry, 2005, vol. 73, no. 1, pp. 20—30.Politova, T. I. Investigation of scandia−yttria−zirconia system as an electrolyte material for intermediate temperature fuel cells— influence of yttria content in system (Y2O3)x(Sc2O3)(11−x)(ZrO2)89 / T. I. Politova, J. T. S. Irvine // Solid State Ionics. − 2004. − V. 168, N 1–2. − P. 153—165. DOI: 10.1016/j.ssi.2004.02.007Politova T. I., Irvine J. T. S. Investigation of scandia−yttria− zirconia system as an electrolyte material for intermediate temperature fuel cells—influence of yttria content in system (Y2O3)x (Sc2O3)(11−x)(ZrO2)89. Solid State Ionics, 2004, vol. 168, no. 1–2, pp. 153—165. DOI: 10.1016/j.ssi.2004.02.007Wakako, A. Fracture mechanism of scandia−doped zirconia / A. Wakako, D. Hanashiro, Y. Arai, J. Malzbender // Acta Materialia. − 2013. − V. 61, iss. 8. − P. 3082—3089. DOI: 10.1016/j.actamat. 2013.01.068Wakako A., Hanashiro D., Arai Y., Malzbender J. Fracture mechanism of scandia−doped zirconia. Acta Materialia, 2013, vol. 61, no. 8, pp. 3082—3089. DOI: 10.1016/j.actamat.2013.01.068Fujimori, H. Structural changes of scandia−doped zirconia solid solutions: rietveld analysis and saman scattering / H. Fujimori, M. Yashima, M. Kakihana, M. Yoshimura // J. Amer. Ceram. Soc. − 1998. − V. 81, iss. 11. − P. 2285—2293. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1998. tb02710.x 8. Simoncic, P. Systematics of phase transition and mixing energetics in rare earth / P. Simoncic, A. Navrotsky // J. Amer. Ceram. Soc. − 2007. − V. 90, iss. 7. − P. 2143—2150. DOI: 10.1111/j.15512916.2007.01678.xFujimori H., Yashima M., Kakihana M., Yoshimura M. Structural changes of scandia−doped zirconia solid solutions: rietveld analysis and saman scattering. J. Amer. Ceram. Soc., 1998, vol. 81, no. 11, pp. 2285—2293. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1998.tb02710.xSpirin, A. Scandia−stabilized zirconia doped with yttria: Synthesis, properties, and ageing behavior / A. Spirin, V. Ivanov, A. Nikonov, A. Lipilin, S. Paranin, V. Khrustov, A. Spirina // Solid State Ionics. − 2012. − V. 225. − P. 448—452. DOI: 10.1016/j. ssi.2012.02.022Simoncic P., Navrotsky A. Systematics of phase transition and mixing energetics in rare earth. J. Amer. Ceram. Soc., 2007, vol. 90, no. 7, pp. 2143—2150. DOI: 10.1111/j.1551−2916.2007.01678.xTataryn, T. Twin structure of the ZrO2−Sc2O3 crystal / T. Tataryn, D. Savytskii, C. Paulmann, U. Bismayer // Crystal Ra diation Physics and Chemistry. − 2009. − V. 78, iss. 10. − P. 101—104. DOI: 10.1016/j.radphyschem.2009.03.088Spirin A., Ivanov V., Nikonov A., Lipilin A., Paranin S., Khrustov V., Spirina A. Scandia−stabilized zirconia doped with yttria: Synthesis, properties, and ageing behavior. Solid State Ionics, 2012, vol. 225, pp. 448—452. DOI: 10.1016/j.ssi.2012.02.022Shobit, O. Electrical conductivity of 10 mol% Sc2O3–1 mol% M2O3–ZrO2 ceramics / O. Shobit, W. B. Najib, W. Chen, N. Bonanos // J. Amer. Ceram. Soc. − 2012. − V. 95, iss. 6. − P. 1965—1972. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2012.05126.xTataryn T., Savytskii D., Paulmann C., Bismayer U. Twin structure of the ZrO2−Sc2O3 crystal. Crystal Radiation Physics and Chemistry, 2009, vol. 78, no. 10, pp. 101—104. DOI: 10.1016/j.radphyschem. 2009.03.088Agarkov, D. A. Analysis of interfacial processes at the SOFC electrodes by in−situ Raman spectroscopy / D. A. Agarkov, I. N. Burmistrov, F. M. Tsybrov, I. I. Tartakovskii, V .V. Kharton, S. I. Bredikhin, V. V. Kveder // ECST. − 2015. − V. 68, iss. 1. − P. 2093— 2103. DOI: 10.1149/06801.2093ecstShobit O., Najib W. B., Chen W., Bonanos N. Electrical conductivity of 10 mol% Sc2O3–1 mol% M2O3–ZrO2 ceramics. J. Amer. Ceram. Soc., 2012, vol. 95, no. 6, pp. 1965—1972. DOI: 10.1111/j.15512916.2012.05126.xYashima, M. Metastable−stable phase diagrams in the zirconia− containing systems utilized in solid−oxide fuel cell application / M. Yashima, M. Kakihana, M. Yoshimura // Solid State Ionics. − 1996. − V. 86–88, Pt 2. − P. 1131—1149. DOI: 10.1016/0167−2738(96)00386-4Agarkov D. A., Burmistrov I. N., Tsybrov F. M., Tartakovskii I. I., Kharton V .V., Bredikhin S. I., Kveder V. V. Analysis of interfacial processes at the SOFC electrodes by in−situ Raman spectroscopy. ECST, 2015, vol. 68, no. 1, pp. 2093—2103. DOI: 10.1149/06801.2093ecstChiba, R. Ionic conductivity and morphology in Sc2O3 and Al2O3 doped ZrO2 films prepared by the sol−gel method / R. Chiba, F. Yoshimura, J. Yamaki, T. Ishii, T. Yonezawa, K. Endou // Solid State Ionics. − 1997. − V. 104, iss. 3–4. − P. 259—266. DOI: 10.1016/ S0167-2738(97)00423-2Yashima M., Kakihana M., Yoshimura M. Metastable−stable phase diagrams in the zirconia−containing systems utilized in solid− oxide fuel cell application. Solid State Ionics, 1996, vol. 86–88, pt 2, pp. 1131—1149. DOI: 10.1016/0167-2738(96)00386-4Sheu, T.−S. Phase relationships in the ZrO2—Sc2O3 and ZrO2—In2O3 systems / T.−S. Sheu, J. Xu, T.−Y. Tien // J. Amer. Ceram. Soc. − 1993. − V. 76, iss. 8. − P. 2027—2032. DOI: 10.1111/j.11512916.1993.tb08328.xChiba R., Yoshimura F., Yamaki J., Ishii T., Yonezawa T., Endou K. Ionic conductivity and morphology in Sc2O3 and Al2O3 doped ZrO2 films prepared by the sol−gel method. Solid State Ionics, 1997, vol. 104, no. 3–4, pp. 259—266. DOI: 10.1016/S0167-2738(97)00423-2Кузьминов, Ю. С. Тугоплавкие материалы из холодного тигля / Ю. С. Кузьминов, Е. Е. Ломонова, В. В. Осико. − М. : Наука, 2004. − 372 с.Sheu T.−S., Xu J., Tien T.−Y. Phase relationships in the ZrO2—Sc2O3 and ZrO2—In2O3 systems. J. Amer. Ceram. Soc., 1993, vol. 76, no. 8, pp. 2027—2032. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1993. tb08328.xBorik, M. A. Phase composition, structure and mechanical properties of PSZ (partially stabilized zirconia) crystals as a function of stabilizing impurity content / M. A. Borik, V. T. Bublik, A. V. Kulebyakin, E. E. Lomonova, F. O. Milovich, V. A. Myzina, V. V. Osiko, N. Y. Tabachkova // J. Alloys and Compounds. − 2014. − V. 586. − P. 231—235. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.01.126Kuzminov Yu. S., Lomonova E. E., Osiko V. V. Tugoplavkie materialy iz kholodnogo tiglya [Refractory materials from a cold crucible]. Moscow: Nauka, 2004. 372 p.Андриевская, Е. Р. Фазовые равновесия в системах оксидов гафния, циркония, иттрия с оксидами редкоземельных элементов / Е. Р. Андриевская. − К. : Наукова думка, 2010. − 472 с.Borik M. A., Bublik V. T., Kulebyakin A. V., Lomonova E. E., Milovich F. O., Myzina V. A., Osiko V. V., Tabachkova N. Y. Phase composition, structure and mechanical properties of PSZ (partially stabilized zirconia) crystals as a function of stabilizing impurity content. J. Alloys and Compounds, 2014, vol. 586, pp. 231—235. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.01.126Fujimori, H. −cubic phase transition of scandia− doped zirconia solid solution: Calorimetry, X−ray diffraction, and Raman scattering / H. Fujimori, M. Yashima, M. Kakihana, M. Yoshimura // J. Appl. Phys. − 2002. − V. 91, iss. 10. − P. 6493—6498. DOI: 10.1063/1.1471576Andrievskaya E. R. Fazovye ravnovesiya v sistemakh oksidov gafniya, tsirkoniya, ittriya s oksidami redkozemel'nykh elementov [Phase equilibria in systems of hafnium, zirconium, yttrium oxides with oxides of rare−earth elements]. Kiev: Naukova dumka, 2010. 472 p.Arachi, Y. Electrical conductivity of the ZrO − Ln2O3 (Ln=lanthanides) system / Y. Arachi, H. Sakai, O. Yamamoto, Y. Takeda, N. Imanishai // Solid State Ionics. − 1999. − V. 121, N 1–4. − P. 133—139. DOI: 10.1016/S0167-2738(98)00540-2Fujimori H., Yashima M., Kakihana M., Yoshimura M. −cubic phase transition of scandia−doped zirconia solid solution: Calorimetry, X−ray diffraction, and Raman scattering. J. Appl. Phys., 2002, vol. 91, no. 10, pp. 6493—6498. DOI: 10.1063/1.1471576Arachi Y., Sakai H., Yamamoto O., Takeda Y., Imanishai N. Electrical conductivity of the ZrO — Ln2O3 (Ln = lanthanides) system. Solid State Ionics, 1999, vol. 121, no. 1–4, pp. 133—139. DOI: 10.1016/ S0167-2738(98)00540-2Arachi Y., Sakai H., Yamamoto O., Takeda Y., Imanishai N. Electrical conductivity of the ZrO — Ln2O3 (Ln = lanthanides) system. Solid State Ionics, 1999, vol. 121, no. 1–4, pp. 133—139. DOI: 10.1016/ S0167-2738(98)00540-2

The authors declare that there are no conflicts of interest present.