Yttrium oxide thin films by spatial atomic layer deposition for solid oxide cells applications

The growing demand for sustainable and efficient energy systems has intensified research on Solid Oxide Cells (SOCs), particularly micro-Solid Oxide Cells (µ-SOCs), which require thin, highly dense electrolytes to lower operating temperatures and enhance efficiency. Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ) is the reference electrolyte material due to its high oxygen-ion conductivity and excellent mechanical stability. The fabrication of ultrathin, conformal, and pinhole-free YSZ films therefore represents a critical technological challenge. This thesis investigates the deposition of yttrium oxide (Y2 O3 ) by Spatial Atomic Layer Deposition (SALD) as a preliminary step toward the fabrication of YSZ thin films for µ-SOC applications. While zirconium oxide deposition by SALD had previously been optimized, yttrium oxide deposition using this technique had not yet been systematically explored. The effects of substrate temperature, substrate velocity, and precursor flow rate on growth per cycle (GPC), film morphology, crystallinity, and conformality were systematically examined. A temperature range between 180 ◦ C and 300 ◦ C and a substrate velocity range between 3 and 5 cm s−1 were investigated. The results demonstrate ALD-type growth behavior at intermediate and high substrate velocities, with conformal coatings obtained even at low temperatures. In contrast, low substrate velocities promote CVD-type growth regimes. Structural characterization by GIXRD and TEM confirms the formation of cubic Y2 O3 , with crystallinity increasing with temperature. Morphological analysis by SEM reveals compact and homogeneous films, particularly above 200 ◦ C. Furthermore, a novel multi-channel deposition head was designed and validated to enable the future co-deposition of yttrium and zirconium oxides for YSZ fabrication. Preliminary experiments using aluminum and zinc oxides confirmed the compositional uniformity achievable with this configuration. Overall, this work establishes SALD as a scalable and high-throughput technique for the controlled deposition of yttrium oxide thin films and constitutes a significant step toward the development of YSZ electrolytes for next-generation µ-SOC devices.

La crescente domanda di sistemi energetici sostenibili ed efficienti ha intensificato la ricerca sulle Celle a Ossidi Solidi (SOC), in particolare sulle micro-Celle a Ossidi Solidi (µ-SOC), nelle quali sono richiesti elettroliti sottili e altamente densi per ridurre la temperatura di esercizio e migliorare l’efficienza. La Zirconia Stabilizzata con Ittria (YSZ) rappresenta il materiale elettrolitico di riferimento grazie alla sua elevata conducibilità agli ioni ossigeno e alla sua eccellente stabilità meccanica. La realizzazione di film di YSZ ultra-sottili, conformi e privi di difetti costituisce pertanto una sfida tecnologica rilevante. Questa tesi studia la deposizione di ossido di ittrio (Y2 O3 ) mediante Spatial Atomic Layer Deposition (SALD) come fase preliminare alla fabbricazione di film sottili di YSZ per applicazioni µ-SOC. Sebbene la deposizione di ossido di zirconio mediante SALD fosse già stata ottimizzata, la deposizione di ossido di ittrio con questa tecnica non era stata ancora studiata in modo sistematico. Sono stati analizzati gli effetti della temperatura del substrato, della velocità del substrato e della portata dei precursori sulla crescita per ciclo (GPC), sulla morfologia, sulla cristallinità e sulla conformalità dei film. È stato esplorato un intervallo di temperatura compreso tra 180 ◦ C e 300 ◦ C e un intervallo di velocità del substrato tra 3 e 5 cm s−1 . I risultati mostrano un comportamento di crescita di tipo ALD a velocità intermedie e elevate del substrato, con rivestimenti conformi ottenuti anche a basse temperature. A basse velocità del substrato si osservano invece regimi di crescita di tipo CVD. La caratterizzazione strutturale mediante GIXRD e TEM conferma la formazione di Y2 O3 cubico, con un aumento della cristallinità all’aumentare della temperatura. L’analisi morfologica tramite SEM evidenzia la formazione di film compatti e omogenei, in particolare al di sopra dei 200 ◦ C. Inoltre, è stata progettata e validata una nuova testa di deposizione multi-canale per consentire in futuro la co-deposizione di ossidi di ittrio e zirconio per la fabbricazione di YSZ. Test preliminari condotti con ossidi di alluminio e zinco hanno confermato l’uniformità composizionale dei film depositati. Nel complesso, questo lavoro dimostra che la SALD rappresenta una tecnica scalabile ead alta produttività per la deposizione controllata di film sottili di ossido di ittrio e costituisce un passo significativo verso lo sviluppo di elettroliti in YSZ per dispositivi µ-SOC di nuova generazione.