實驗

本研究以溶膠凝膠法(sol-gel method)合成鈦摻雜鉻酸鑭氧化物(Ti-doped LaCrO3)粉 末，藉改變摻雜比例進行晶體結構、鍵結環境、電子導電率與離子導電率之研究。

本實驗以lanthanum nitrate、chromium nitrate 及 titanium butoxide 作為前驅物，首 先將上述藥品依不同摻雜比例秤重，將lanthanum nitrite 與 chromium nitrite 先溶於 1M 硝酸水溶液中，在150°C 下加熱攪拌，一小時後再加入 titanium butoxide 後，在 150°C 下加熱攪拌，待其成黏稠膠狀後便可轉置於氧化鋁坩鍋中，在空氣中以400°C 鍛燒 6 小

於結構中也會造成成相溫度的變化，故在第二次燒結時以在700°C 至 1200°C 間不同溫 度下燒結以找尋其最適成相溫度。

在以粉末 X 光繞射儀鑑定以上所合成的粉末樣品並決定最佳合成條件後，之後對 以最佳化合成條件所合成而得的樣品進行性質量測與分析，其流程如圖2-1。

圖2-1 實驗流程圖

2.3 試片的製備 2.3.1 乾壓法製備試片

將合成好的粉末秤重並倒入13mm 的模具中，施以 1ton 的壓力 30 秒，壓成薄錠狀。

將壓好的試片置於氧化鋁平板上，在空氣中以5°C /min 的速率升溫至 1200°C 並持溫 12 小時後爐冷至室溫，以確保其顆粒間的緊密度。

四點探針法 鈦摻雜鉻酸鑭的粉末製備

Sol-gel 法

環境 pH 值 燒結溫度 鈦摻雜比例 氫氣還原後相穩定性 X 光粉末繞射儀

合成條件探討

掃描式電子顯微鏡 感應耦合電漿原子發射光譜分析儀

性質量測

歐傑微探能譜儀 交流阻抗頻譜分析儀

2.3.2 氫氣還原

為了解試片在氫氣環境下工作時變化，將前述製備好的試片在 0.2sccm 氫氣環境 下，以3°C/min 升溫至 900°C 持溫 12 小時後爐冷至室溫，以模擬其工作時的情況，便 於之後進行晶體結構、元素化學態與導電率的檢測。

2.3.3 阻抗分析試片製備

將試片的兩面周圍塗上銀鈀膠並將交大材料系林鵬教授設計之銀片附著於其上，

置於內徑 8mm，外徑 12mm 的高緻密氧化鋁管一端，以陶瓷膠固定並加強密封其交界 處，避免測試時發生漏氣之現象，如圖2-2。

圖2-2 試片固定在高緻密氧化鋁管示意圖 2.4 性質量測與分析

2.4.1 粉末 X 光繞射儀(X-ray powder diffraction, PXRD)

使用以銅靶的 Kα(波長為 1.5406 埃)做為繞射光源的粉末 X 光繞射儀(Bruker AXS D8 Advance, Leipzig Germany)進行粉末之結晶相鑑定，操作電壓為 40kV，電流為 40mA，2θ 繞射角掃描範圍為 10˚至 80˚，掃描速率為 1˚/min。以 CELREF 軟體對特徵峰 做晶格常數計算。

2.4.2 場發射掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)

使用 JEOL 公司的 JSM-4701 觀察製備好的材料粉末型貌與量測實際摻雜元素比 例 ， 其 放 大 倍 率 可 達 80 萬 倍 ， 並 附 有 能 量 散 射 分 析 光 譜 儀 (electron diffraction spectroscope)可提供全能譜定性分析元素種類與比例。

2.4.3 感應耦合電漿原子發射光譜分析儀(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spetrometer, ICP-AES)

以德國Kontron 製的 S-35 與美國 Jarrell-Ash 製的 ICAP-9000 分析實際摻雜比例，

波長範圍分別為 190-550 奈米與 170-800 奈米，與可分析元素高達 80 個，偵測極限為 ppb。

2.4.4 X 射線光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectroscopy)

以Microlab 350(英國 VG scientific)進行 X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)元素化 學位移分析(chemical shift analysis)，其使用的 X 光源為鎂靶 Kα，試片大小須控制在 1 平方公分以下，以碳膠固定在載台上後，依待測材料之導電性濺鍍上 Pt 以增加其導電 度，厚度約為1 埃。

2.4.5 四點探針量測電子導電度

以Van der Pauw 四點量測法，於 500°C 至 700°C 間以四極法定電流方式量測電阻 率，如圖2-3 所示，電流自點 1 輸出，自點 2 輸出，經過試片所產生的壓降，量測點 3 與點4 間的電壓差，經由 Van der Pauw equation²¹計算後便可得知其電阻率:

F 為 Van der Pauw 修正因子，對具有對稱性的試片，如圓形或正方形，R12,34與R23,41相 等，且F 近於 1。而本實驗所量測的試片皆為圓錠狀，故僅須代入厚度 t 值即可得其電 阻率。而其導電率與溫度間之關係滿足Arrhenius equation:

將導電率與溫度之乘積與溫度皆取對數作圖後，其斜率即為活化能 Ea。

圖2-3 四點探針量測示意圖²¹ 2.4.6 交流阻抗分析儀

將前面所準備好的試片固定在高密度氧化鋁管上後，置於高溫爐中，在氧化鋁管一 端通入氫氣或氧氣，氣體流量為0.03sccm，以 solartron SI1287 二極法進行量測，量測頻 率範圍為1MHz 到 0.1Hz，量測溫度為 400°C 至 900°C，如圖 2-4。

圖 2-4 量測離子導電度示意圖