Structural, morphological and electrical characterization of ceria-based nanostructured thin films obtained by ultrasonic spray pyrolysis

In this work, the synthesis and the structural, morphological and electrical characterization of Ce1−xSmxO2−δ solid solution, with x = 0, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25 and 0.30 mol, are reported. Nanocrystalline, homogeneous, and adherent samarium doped cerium oxide thin films were deposited onto glass (Pyrex®) substrates by a simple and cost effective ultrasonic spray pyrolysis system, at a low substrate temperature of 450 °C and further annealing treatment at 500 °C for 2 h. For all the samples, X-ray diffraction results showed the formation of single phase and well crystalline thin films, with cubic fluorite type structure. Scanning electron microscopy analyses showed homogeneous surfaces for all the samples; from SEM micrographs crystallite sizes were found to be in the range 23–37 nm. From atomic force microscopy, surface roughness in the range of 20–95 nm was measured and the formation of smooth films with an average grain size of 45 nm was observed. For the best sample in the solid solution, high oxygen ion conductivity of 1.71 × 10−1 S cm−1, at 450 °C, was determined by impedance spectroscopy, with an activation energy of 0.93 eV. Results suggest that these films may have a potential application as electrolytes in intermediate temperature solid oxide fuel cells, IT-SOFC. Resumen: En este trabajo se reporta la síntesis y caracterización estructural, morfológica y eléctrica de la solución sólida Ce1−xSmxO2−δ, con x = 0, 0,10, 0,15, 0,20, 0,25 y 0,30 mol. Se depositaron películas delgadas de óxido de cerio dopado con samario nanoestructuradas, homogéneas y con buena adherencia sobre sustratos de vidrio (Pyrex®) mediante un sistema de rocío pirolítico ultrasónico sencillo y económico, a una baja temperatura de 450 °C y con un tratamiento térmico adicional a 500 °C por 2 h. Para todas las muestras, los resultados obtenidos por difracción de rayos X mostraron la presencia de películas delgadas cristalinas monofásicas, con estructura cúbica tipo fluorita. Los análisis de microscopía electrónica de barrido mostraron superficies homogéneas para todas las muestras; a partir de las micrografías SEM se determinó que los tamaños de los cristales se encontraban en el intervalo de 23-37 nm. A partir de microscopía de fuerza atómica se midió la rugosidad superficial en el rango de 20 a 95 nm y se observó la formación de películas homogéneas con un tamaño promedio de grano de 45 nm. Para la mejor muestra, mediante espectroscopia de impedancias se determinó una alta conductividad de iones de oxígeno de 1,71 × 10−1 S cm−1, a 450 °C, con una energía de activación de 0,93 eV. Los resultados sugieren que estas películas pueden tener una potencial aplicación como electrolitos en celdas de combustible de óxidos sólidos de temperatura intermedia, IT-SOFC. Keywords: Spray pyrolysis, Thin films, IT-SOFC, Ceria, Palabras clave: Rocío pirolítico, Películas delgadas, IT-SOFC, Ceri