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http://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/4163| Fabrication and characterization of YSZ thin films for all-solid-state super-pseudocapacitors Fabricación y caracterización de películas delgadas de YSZ para super-pseudocapacitores de estado sólido | |
| OSCAR ARTURO ROMO JIMENEZ | |
| HUGO JESUS TIZNADO VAZQUEZ | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución | |
| YSZ, thin films, ALD, Sputtering, Thermal Evaporation, Energy storage, supercapacitors, pseudocapacitors, resistive memories, RRAM, bifunctional devices, electrical measurements, ionic conductivity YSZ, películas delgadas, ALD, Sputtering, Evaporación Térmica, Almacenamiento de energía, supercapacitores, pseudocapacitores, memorias resistivas, RRAM, dispositivos bifuncionales, mediciones eléctricas, conductividad iónica | |
| The research focused on the electrical properties of yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte in two configurations: Metal-Insulator-Metal (MIM) and Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) for super solid-state pseudocapacitors. In the first part, a Ru/YSZ/Ru structure was analyzed to better understand ionic conduction during the transition from supercapacitive to pseudocapacitive behavior. Galvanostatic charge-discharge tests revealed a transition from supercapacitive to pseudocapacitive behavior correlated with the onset of redox reactions at the electrode interfaces, as determined by impedance curve analysis. Impedance analysis also revealed an increase in ion mobility with temperature and DC voltage during the behavior transition, with activation energies of 1.06 eV and 1.86 eV, respectively. In the second part, Au-YSZ-Ru structures were fabricated to investigate the influence of yttria concentration on YSZ properties. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis revealed yttria concentrations of 14.6 at%, 10.3 at%, 6.8 at%, and 5.3 at% for films with atomic layer deposition (ALD) Zr:Y cycle ratios of 2:1, 4:1, 6:1, and 8:1, respectively. Deconvolution of the oxygen XPS signal demonstrated the relationship between yttria and oxygen vacancies. The band gap, determined through UV-Vis measurements, decreased with increasing yttria concentration, a trend confirmed by reflection electron energy loss spectroscopy (REELS). Impedance spectroscopy analysis revealed lower activation energies and improved energy storage properties with lower yttria concentrations. In the third phase of the study, the bifunctional properties of YSZ in MOS configuration were investigated. Capacitive properties were observed under mild voltage conditions, but when the voltage was increased above 10.5 V, resistive memory behavior was observed. To deeply understand the operating mechanisms, electrical studies combining chronoamperometric and impedance spectroscopy analyses were performed. It was observed that the induction of resistive memory mechanisms correlated with an increase in permittivity, a distinctive feature of these devices compared to traditional ones, where capacitance properties generally tend to decrease after switching. Additionally, the impact of temperature on energy storage functionality was investigated. It was found that as the temperature increased from 25 to 60°C, the electrical response of the films resembled that of a supercapacitor. Further temperature ... La investigación se centró en las propiedades eléctricas del electrolito de zirconio estabilizado con itrio (YSZ, por sus siglas en inglés) en dos configuraciones: Metal-Aislante-Metal (MIM, por sus siglas en inglés) y Metal-Oxido-Semiconductor (MOS, por sus siglas en inglés), para super-pseudocapacitores de estado sólido. En la primera parte, se analizó una estructura Ru/YSZ/Ru para comprender la conducción iónica durante la transición de comportamiento supercapacitivo a pseudocapacitivo. Las pruebas de carga y descarga galvanostáticas revelaron una transición de comportamiento supercapacitivo a pseudocapacitivo que se correlaciona con el inicio de reacciones redox en las interfaces de los electrodos, según se determinó mediante el análisis de las curvas de impedancia. También, los análisis por impedancia revelaron un aumento en la movilidad de iones con la temperatura y el voltaje DC en la transición de comportamiento, con una energía de activación de 1.06 eV y 1.86 eV, respectivamente. En la segunda parte, se fabricaron estructuras de Au-YSZ-Ru para investigar la influencia de la concentración de itrio en las propiedades del YSZ. El análisis de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS, por sus siglas en inglés) reveló concentraciones de itrio del 14.6 at%, 10.3 at%, 6.8 at% y 5.3 at% para películas con relaciones de ciclos de depósito en capa atómica (ALD, por sus siglas en inglés) de Zr:Y de 2:1, 4:1, 6:1 y 8:1, respectivamente. La deconvolución de la señal de XPS de oxígeno demostró la relación entre itrio y vacancias de oxígeno. La banda prohibida, determinada a través de medidas de UV-Vis, disminuyó con el aumento de la concentración de itrio, una tendencia confirmada por espectroscopía de pérdida de energía de electrones de reflexión (REELS, por sus siglas en inglés). El análisis por espectroscopía de impedancia reveló energías de activación más bajas y mejores propiedades de almacenamiento de energía con bajas concentraciones de itrio. En la tercera fase del estudio, se investigaron las propiedades bifuncionales de YSZ en configuración MOS. Se observaron propiedades capacitivas bajo condiciones de voltaje suaves, pero al incrementar el voltaje por encima de los 10.5 V observamos un comportamiento de memoria resistiva. Con el propósito de comprender a profundidad los mecanismos de funcionamiento, se realizaron estudios eléctricos que combinaron análisis cronoamperométricos y de espectroscopía de impedancia. Se observó que la inducción ... | |
| CICESE | |
| 2024 | |
| Tesis de doctorado | |
| Inglés | |
| Romo Jiménez, O.A. 2024. Fabrication and characterization of YSZ thin Films for all-solid-state super-pseudocapacitors. Thesis Doctor of Science. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 89 pp. | |
| PROPIEDADES DE LOS MATERIALES | |
| Aparece en las colecciones: | Tesis - Nanociencias |
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| tesis_Oscar Arturo Romo Jimenez_ 22 ago 2024.pdf | Descripción completa de la tesis | 4.68 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |