掺钇氧化锆(YSZ)-薄膜衬底

掺钇氧化锆（YSZ）单晶基片是一种具有高熔点、优异机械和化学稳定性、低成本且易于加工的薄膜衬底材料，广泛应用于高温超导薄膜、陶瓷、耐火材料和固体氧化物燃料电池等领域。

化学组成与结构

• 化学式：ZrO₂（掺入钇作为稳定剂，常见浓度为13 mol%）
• 晶体结构：立方晶系，具有优异的机械和化学稳定性。

物理性质

• 熔点：高达2700℃
• 密度：0 g/cm³
• 硬度：8-8.5（Mohs）
• 纯度：99%
• 热膨胀系数：3×10⁻⁶ /℃
• 介电常数：ε=27

制备与生长

• 生长方法：主要采用弧熔法生长，可制备出高质量的单晶基片。

主要优点：

掺钇氧化锆（YSZ）单晶基片的主要优点可以归纳如下：

机械和化学稳定性好：YSZ单晶基片具有优异的机械和化学稳定性，能够在各种环境下保持其结构和性能的稳定。

成本低廉：相较于其他高温超导薄膜基片材料，YSZ具有较低的成本，这使得它在大规模应用中具有经济优势。

物理性能出色：

熔点高（约2700℃），显示出其优秀的热稳定性。

密度高（0 g/cm³），硬度适中（8-8.5 Mohs），具有优良的耐磨性和机械强度。

热膨胀系数适中（3×10⁻⁶ /℃），有助于在高温或温度变化较大的环境中保持尺寸的稳定性。

介电常数高：YSZ的介电常数（ε=27）意味着它在电子器件中具有优良的介电性能。

适用广泛：由于上述性能，YSZ单晶基片被广泛应用于高温超导薄膜、陶瓷、耐火材料、固体氧化物燃料电池（SOFC）以及氧传感器等领域。

尺寸和抛光精度高：YSZ单晶基片提供多种尺寸选择，并可根据需求进行单面或双面抛光，以满足不同应用的需求。同时，其晶向和边缘定向精度较高，有助于提高产品的性能和量。

易于加工：YSZ单晶基片可通过弧熔法等方法制备，生长工艺成熟，易于进行后续加工和处理。

应用领域

掺钇氧化锆（YSZ）单晶基片的应用领域广泛，以下是其主要应用领域及其相关数字和信息：

高温超导薄膜：

YSZ单晶基片是最早应用于高温超导薄膜的材料之一。

由于其机械和化学稳定性好、成本低的特点，YSZ在高温超导领域具有显著优势。

固体氧化物燃料电池（SOFC）：

YSZ是优良的氧离子导体，在SOFC系统中用作电解质材料。

在氧化气氛和还原气氛下都很稳定，是SOFC的理想材料。

生物陶瓷、电子陶瓷和结构陶瓷：

YSZ的生物级义齿用材料具有高断裂强度、高断裂韧性和高透光性，适用于人工牙齿等生物医疗器械。

在电子陶瓷中，YSZ具有优良的电学性能。

作为结构陶瓷，YSZ因其高硬度、高强度和耐磨性而备受青睐。

人造宝石和彩色陶瓷饰品：

YSZ的硬度接近天然钻石，比金属轻，永不磨损，永不变色，非常适合用于制作人造宝石和彩色陶瓷饰品。

耐火材料：

YSZ作为耐火材料，应用于电子陶瓷烧支承垫板、熔化玻璃、冶金金属用耐火材料等领域。

氧传感器：

在汽车工业中，YSZ用于氧传感器，以测量汽车排气管道中的氧电势，进而监测和控制燃烧空燃比。

高温结构材料和先进热工装备：

YSZ可以作为高温结构材料使用，因其具有出色的耐热性和机械强度，在航空航天、电力、冶金等领域有广泛应用。

同时，YSZ可以制成高性能陶瓷件，用于制造先进热工装备，如高性能YSZ密封件等。

生物医学器械：

YSZ因其良好的生物相容性和稳定性，在生物医学领域有重要应用，如制造人工骨、人工关节等医疗器械。

基本参数：

参数	数值	单位
材料名称	掺钇氧化锆 (YSZ)	–
分子式	ZrO2-Y2O3	–
钇含量	3-8%	–
晶体结构	立方晶系	–
晶格常数	a=5.147 Å	Å
熔点	2700	℃
密度	6.0	g/cm³
硬度	8-8.5	Mohs
纯度	99.99%	–
热膨胀系数	10.3×10^-6	/℃
介电常数	27	–