Transport properties of nanocrystalline gadolinium-doped ceria

Gd-doped ceria nanocrystalline powders (5, 7.5, 10 and 15 mol % GdĄ) having grain sizes smaller than 17 nm were prepared by the combustion technique. Polycrystalline samples were obtained by uniaxial hot pressing. The samples were characterized by X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy. The final grain size, smaller than 100 nm, depends on the sintering conditions and on the amount of Gd. The transport properties of these polycrystalline specimens were studied by impedance spectroscopy. These results are compared to those obtained for microcrystalline samples and they show that the ionic conductivity of these materials goes through a maximum for a grain size in the range 300-500 nm. XPS analysis suggests that this behaviour is related to the segregation of Gd at the region near the grain surfaces, which is less pronounced when the grain size decreases.

---

Nanokrystaliczne proszki tlenku ceru domieszkowanego Gd (5, 7.5, 10 i 15 mol % Gd203), o wielkościach krystalitów mniejszych niż 17 nm, wytworzono metodą syntezy. Polikrystaliczne próbki uzyskane w procesie jednoosiowego prasowania na gorąco poddano badaniom z wykorzystaniem technik dyfrakcji rentgenowskiej oraz obserwacji mikroskopowych TEM i SEM. Stwierdzono, iż końcowa wielkość ziarna, mniejsza niż 100 nm, uzależniona jest od warunków procesu spiekania oraz zawartości domieszki Gd. Własności przewodzące domieszkowanych tlenków określono z wykorzystaniem układu pomiarowego rejestrującego zmiany impedancji. Porównanie otrzymanych tą drogą wyników z wartościami uzyskanymi dla tlenków mikrokrystalicznych pozwoliło na stwierdzenie, iż maksymalne wartości przewodności jonowej uzyskuje się dla tlenków charakteryzujących się wielkością ziarna z zakresu 100-300 nm. Przeprowadzona analiza XPS sugeruje, że wynik taki jest skutkiem segregacji Gd (w okolicy powierzchni krystalitów), która jest mniej widoczna gdy maleje wielkość krystalitów.