(57)【要約】  金属酸化物薄膜（１０）は、１つ又は複数の金属塩と１つ又は複数の水溶性ポリマーとの溶液を含む。当該金属塩及び水溶性ポリマーの溶液を金属酸化物薄膜（１０）へと変換するための機構を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物薄膜（１０）を製造する方法であって：
溶解した少なくとも１つの金属塩をその中に有する第１の溶液を準備するステップ；
溶解した水溶性ポリマーをその中に有する第２の溶液を準備するステップ；
前記第１の溶液及び前記第２の溶液を所定の比率で組み合わせて、第３の溶液を形成するステップ；
前記第３の溶液から成る層（１４）を基材（１２）上に付着させるステップ；及び
その上に前記第３の溶液の層（１４）を有する前記基材（１２）を、前記少なくとも１つの金属塩を酸化し且つ前記金属酸化物薄膜（１０）を形成するのに十分な温度にて加熱するステップ、
を包含する、方法。
【請求項２】
前記第１の溶液が、少なくとも２つの金属塩を含み、前記少なくとも２つの金属塩が、水中に個別に溶解され、所定の比率で組み合わされて、前記第１の溶液が形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの金属塩が、セリウム、サマリウム、インジウム、ガドリニウム、プラセオジム、イットリウム、ジルコニウム、ストロンチウム及び／又はコバルトのうちの少なくとも１つの酢酸塩、硝酸塩、ハロゲン化物又は硫酸塩、及び／又はそれらの混合物である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記水溶性ポリマーが、ポリビニルアルコール、澱粉、親水コロイド、セルロースエーテル、ポリエチレンオキシド、ポリアクリレート、ポリアクリルアミド、ポリアミン、ポリイミンのうちの少なくとも１つ、及び／又はそれらの混合物である、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記基材（１２）が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、酸化シリコン含有誘電体基材、アルミナ、サファイア、セラミック、サーメット及び／又はそれらの混合物である、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記所定の比率を変更して、スピンコーティング、スプレーコーティング及び／又はディップコーティングによって付着させるのに十分な前記第３の溶液の粘度を達成するステップをさらに含む、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記加熱するステップが、前記水溶性ポリマー及び前記少なくとも１つの金属塩を酸化するのに十分な温度において実施される、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記加熱するステップが、約５４０℃〜約１０５０℃の範囲の温度において実施される、請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記金属酸化物薄膜（１０）が、約０．０５μｍ〜約５．０μｍの範囲の厚み（Ｆ）を有する、請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記金属酸化物薄膜（１０）を約４００℃〜約１５００℃の範囲の温度において加熱して、前記金属酸化物薄膜（１０）の結晶粒組織を変更するステップをさらに含む、請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記金属酸化物薄膜（１０）上に前記第３の溶液から成る後続の層を付着させるステップ；及び
その上に前記後続の層を有する前記金属酸化物薄膜（１０）を加熱して、所定の厚み（Ｆ）の金属酸化物薄膜（１０）を達成するステップ、
をさらに包含する、請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。
【請求項１２】
燃料電池（１００）であって：
前記燃料電池（１００）内に動作可能に配置される少なくとも１つの電極（２６、３０）；及び
前記少なくとも１つの電極（２６、３０）と電気化学的に接触している電解質（２８）；
を含んで成り、
前記電極（２６、３０）及び前記電解質（２８）のうちの少なくとも一方が、
溶解した少なくとも１つの金属塩をその中に有する第１の溶液を準備するステップ；
溶解した水溶性ポリマーをその中に有する第２の溶液を準備するステップ；
前記第１の溶液及び前記第２の溶液を所定の比率で組み合わせて、第３の溶液を形成するステップ；
前記第３の溶液から成る層（１４）を基材（１２）上に付着させるステップ；及び
その上に前記第３の溶液の層（１４）を有する前記基材（１２）を、前記少なくとも１つの金属塩を酸化し且つ前記金属酸化物薄膜（１０）を形成するのに十分な温度で加熱するステップ；
を包含するプロセスにより形成される、燃料電池。
【請求項１３】
電子デバイス（Ｌ、Ｓ）であって：
負荷（Ｌ）；及び
前記負荷（Ｌ）に接続された、請求項１２に記載の燃料電池（１００）、
を含んで成る、電子デバイス。
【請求項１４】
燃料電池（１００）を使用する方法であって：
前記燃料電池（１００）を電気的負荷（Ｌ）及び蓄電デバイス（Ｓ）のうちの少なくとも１つに動作可能に接続するステップを包含し、前記燃料電池（１００）が、少なくとも１つの電極（２６、３０）と、前記少なくとも１つの電極（２６、３０）に電気化学的に接触している電解質（２８）とを含んで成り、前記電極（２６、３０）及び電解質（２８）のうちの少なくとも一方が、
溶解した少なくとも１つの金属塩をその中に有する第１の溶液を準備するステップ；
溶解した水溶性ポリマーをその中に有する第２の溶液を準備するステップ；
前記第１の溶液及び前記第２の溶液を所定の比率で組み合わせて、第３の溶液を形成するステップ；
前記第３の溶液から成る層（１４）を基材（１２）上に付着させるステップ；及び
その上に前記第３の溶液の層（１４）を有する前記基材（１２）を、前記少なくとも１つの金属塩を酸化し且つ前記金属酸化物薄膜（１０）を形成するのに十分な温度で加熱するステップ、
を包含するプロセスによって作成される、方法。
【請求項１５】
金属酸化物薄膜（１０）であって：
少なくとも１つの金属塩及び少なくとも１つの水溶性ポリマーの溶液；及び
前記金属塩及び水溶性ポリマーの溶液を前記金属酸化物薄膜（１０）へと変換するための手段、
を含んで成る、金属酸化物薄膜。
【請求項１６】
金属酸化物薄膜（１０）を製造する方法であって：
その中に溶解した少なくとも１つの金属塩及び少なくとも１つの水溶性ポリマーを有する溶液を準備するステップであって、前記少なくとも１つの金属塩及び少なくとも１つの水溶性ポリマーが、所定の比率の前記金属塩対前記水溶性ポリマーにて添加されている、準備するステップ；
基材（１２）上に前記溶液から成る層（１４）を付着させるステップ；及び
その上に前記溶液の層（１４）を有する前記基材（１２）を、前記少なくとも１つの金属塩を酸化し且つ前記金属酸化物薄膜（１０）を形成するのに十分な温度で加熱するステップ、
を包含する、方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの金属塩が、セリウム、サマリウム、インジウム、ガドリニウム、プラセオジム、イットリウム、ジルコニウム、ストロンチウム及び／又はコバルトのうちの少なくとも１つの酢酸塩、硝酸塩、ハロゲン化物又は硫酸塩、及び／又はそれらの混合物である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの水溶性ポリマーがポリビニルアルコールであり、前記溶液が水をさらに含む、請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの水溶性ポリマーが酸化する温度及び前記少なくとも１つの金属塩が酸化する温度が実質的に同じ範囲内にある、請求項１６〜１８の何れか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記加熱するステップが、前記少なくとも１つの水溶性ポリマー及び前記少なくとも１つの金属塩の両方を酸化するのに十分な温度において実施される、請求項１６〜１９の何れか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、金属酸化物薄膜に関し、より詳細には、金属塩及び水溶性ポリマーから形成される金属酸化物薄膜に関する。これらの薄膜は、数多くの応用形態において用いることができ、その一例は燃料電池である。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料（限定はしないが、水素、プロパン、メタン、一酸化炭素等を含む）及び酸化剤（複数可）の電気化学エネルギー変換を利用して、電気及び熱を生成する。燃料電池は、携帯用電源として、一次電池及び二次電池に取って代わるものと期待されている。燃料電池では、燃料（通常、水素の発生源を含む）が、通常、酸素発生源で酸化され、（主に）水及び二酸化炭素が生成される。燃料極における酸化反応では電子が遊離し、その反応を、電子を消費する空気極での還元反応と組み合わせると、負荷を通る有用な電圧及び電流が生成される。
【０００３】
燃料電池は、モータ、ライト、電気機器等に電源を供給するために用いることのできる直流（ＤＣ）電圧をもたらす。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、燃料電池の１つのタイプであり、それは携帯用及び携帯用以外の用途において有効に用いることができる。
【０００４】
高性能の燃料電池デバイスを得るために一般的に望ましい材料特性によって、それら燃料電池の製造はかなり困難となっている。
【０００５】
ＳＯＦＣは、多くの場合、金属酸化物薄膜から作製された電解質及び電極を備える。金属酸化物薄膜の付着は、原子層堆積（ＡＬＤ）、物理気相成長（ＰＶＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、スパッタリング、蒸着及び種々の湿式化学法をはじめとする、数多くの方法によって達成されてきた。湿式化学法は、装置が低コストであり且つスループットが高いという利点をもたらす。しかしながら、いくつかの付着方法の例を以下に記述するが、それらの方法は、それぞれ欠点を抱えている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ゾル−ゲルは、最も一般的な湿式成膜法の１つであるが、材料コストが高く且つ制御雰囲気をはじめとする工程条件に細心の注意を要するという問題を抱えている。ゾル−ゲル反応剤は、一般に、注意深く制御されたｐＨ及び温度において用いられる。さらに、一貫した薄膜を作成するためのプロセスウインドウが一般的に狭い。
【０００７】
有機金属堆積（ＭＯＤ）法は、別の湿式法である。ＭＯＤは、一般的に、必要とする材料は安価であるが、用いられるグリコールに一部起因して、濡れ特性が悪い。さらに、ＭＯＤ工程は、一般的に、時間のかかるキレート化工程を必要とする。
【０００８】
ＭＢＥ及びＡＬＤ法は、一般的に、高額の装置及び材料を必要とする。ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ及びＭＯＣＶＤは、一般的に、高額の装置、並びに容易に入手できない場合のある揮発性の前駆体を用いる。スパッタリング及び蒸着技法は、一般的に、高額の装置と、場合によっては制御するのが難しい化学量論組成を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、１つ又は複数の金属塩及び１つ又は複数の水溶性ポリマーの溶液から構成される、金属酸化物薄膜を配設することにより、これまでに列挙した欠点を解決する。金属塩及び水溶性ポリマーから成る溶液を金属酸化物薄膜へと変換するための機構を提供する。
【００１０】
本発明の目的、特徴及び利点は、以下に詳細に記載する説明及び図面を参照することによって明らかになるであろう。なお、同様の符号は、必ずしも同じではないが、類似の構成要素に対応する。簡潔にするために、先行して説明された機能を有する符号は、それらが現われる後続の図面に関しては必ずしも説明されない場合がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施形態は、金属酸化物薄膜を製造するための新規の方法に関する。本発明は、燃料電池、即ち、いかなる特定のタイプの燃料電池にも限定はされないが、記述される種々の方法を用いて、電解質及び電極のような種々の固体酸化物燃料電池構成要素を製造することが好都合であろう。
【００１２】
ここで、本発明の一実施形態を参照すると、金属酸化物薄膜を製造する方法は、少なくとも１つの金属塩を脱イオン水に溶解することにより、第１の溶液を準備するステップを包含する。
【００１３】
金属塩としては、限定はしないが、セリウム、サマリウム、インジウム、ガドリニウム、プラセオジム、イットリウム、ジルコニウム、ストロンチウム及び／又はコバルトの酢酸塩、硝酸塩、ハロゲン化物及び／又は硫酸塩、及び／又はその混合物をはじめとする、任意の適切な金属塩を用い得ることを理解されたい。他の一実施形態では、金属塩は、硝酸セリウム、硝酸サマリウム、硝酸ガドリニウム、硝酸プラセオジム、塩化セリウム、塩化サマリウム、塩化ガドリニウム、塩化プラセオジム、酸化インジウムスズ、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリウムストロンチウムコバルト酸化物（samarium strontium cobalt oxide）、ガドリニウムドープセリア、及び／又はその混合物である。
【００１４】
硝酸塩は溶解度が高いため、一般的に硝酸塩を用いることができる。しかしながら、硝酸塩の脱水過程は、場合によっては破壊的な過程となり、スピンコーティングが用いられる場合に、付着に成功する溶液の量が少なくなる場合もある。本発明の一実施形態では、おそらく溶解度はわずかに劣ることになるが、場合によっては塩化物塩を用いて、より良好に付着させることが好都合である。
【００１５】
限定はしないが、一実施形態では、２つの金属塩を用いて、第１の溶液が調製される。用いられる各金属塩は、脱イオン水のような溶媒内に個別に、且つ実質的に完全に溶解させ得ることを理解されたい。他の適切な溶媒の例としては、限定はしないが、水に、アルコール、酸、塩基及び／又は極性有機物、及び／又はそれらの混合物のような添加剤を加えたものが挙げられる。これらの添加剤の例としては、限定はしないが、エタノール、硝酸、酢酸、フッ化水素酸、塩化水素酸、アンモニア、アセトン及び／又はテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）が挙げられる。
【００１６】
これら２つの金属塩溶液は、既知の濃度に滴定され、実質的に厳密な化学量論組成を達成することができる。最終的な化学量論組成に誤差があるなら、それは一般的には水和水が変動することに起因する。金属塩を脱イオン水の個別の容器内に別個に溶解させ、所定の濃度にまで滴定する場合には、この誤差をなくすことができる。その後、これらの個々の金属塩溶液を所定の比率で組み合わせて、第１の溶液を調製できることを理解されたい。
【００１７】
本発明の一実施形態による金属酸化物薄膜を製造する方法は、ポリマー水溶液である第２の溶液を準備するステップをさらに含む。一実施形態では、第２の溶液は、水等の適切な溶媒中に水溶性ポリマーを溶解させることによって調製される。
【００１８】
水溶性ポリマーのいくつかの例としては、限定はしないが、ポリビニルアルコール、澱粉、親水コロイド、セルロースエーテル、ポリエチレンオキシド、ポリアクリレート、ポリアクリルアミド、ポリアミン及び／又はポリイミン、及び／又はそれらの混合物が挙げられる。
【００１９】
本発明の一実施形態では、水溶性ポリマーはポリビニルアルコール（ＰＶＡ）である。任意の適切なＰＶＡを用い得ることを理解されたい。そのような適切なＰＶＡの１つは、デュポン社（Dupont）（デラウェア州ウィルミングトン（Wilmington））からＥＬＶＡＮＯＬの商品名で市販されている。
【００２０】
エチレングリコールは、一般的に、第２の溶液に用いるのに適していない場合があることをさらに理解されたい。エチレングリコールは重合する必要があり、そのように重合した後であっても、結果として生成されるポリエチレングリコール（ＰＥＧ）は一般的に基材上での濡れ特性が悪い。
【００２１】
水溶性ポリマーの第２の溶液に適する溶媒は、限定はしないが、水及び／又はイソプロピルアルコール、及び／又はそれらの混合物を含む。一実施形態では、水は精製及び／又は脱イオン化される。しかしながら、水に含まれる不純物が最終的なデバイスに対して悪影響を及ぼさない場合には、その水は精製及び／又は脱イオン化されなくてもよいことを理解されたい。
【００２２】
限定はしないが、第２の溶液の一実施形態は、重量比で約７５％の水及び約１５％のイソプロピルアルコール中に約１０％のＰＶＡを含んで成る。第２の溶液は、予め調製された溶液として購入することもでき、それは、ＡＴＭＩマテリアルズ社、リキッドオペレーション（ATMI Materials, Ltd., Liquid Operations）（テキサス州バーネット（Burnet））からＵＰＣ  Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ  Ｃｏａｔｉｎｇの商品名で市販されている。
【００２３】
本発明による金属酸化物薄膜を製造する方法は、第１の溶液及び第２の溶液を所定の比率で組み合わせて、第３の溶液を調製するステップをさらに含む。第１の溶液及び第２の溶液の比率を変更することにより、第３の溶液の粘度が変化することを理解されたい。本発明の一実施形態では、この比率を変更することによって第３の溶液の粘度を調整して、スピンコーティング、スプレーコーティング、ディップコーティング及び／又は他の適切な付着技法を実施するのに十分な溶液とすることができる。限定はしないが、一例では、約１０ミリパスカル秒（１０ｃｐ）〜約１００ミリパスカル秒（１００ｃｐ）の範囲の粘度を有する第３の溶液が、スピンコーティングによって付着させるのに適しているであろう。
【００２４】
本発明の方法の代替的な一実施形態では、１つの溶媒中に金属塩とポリマーを含む単一の溶液を準備するステップが包含される。所望の粘度を達成できるような、金属塩とポリマーとの比率が分かっている場合には、単一の溶液を調製できることを理解されたい。この実施形態では、所望の量のポリマー及び金属塩を溶媒に直に加えることができる。金属塩及びポリマーのために本明細書に列挙される適切な材料がこの実施形態においても用い得ることを理解されたい。本発明の一実施形態では、金属塩とポリマーとの比率を変更してこの単一の溶液の粘度を調整して、スピンコーティング、スプレーコーティング、ディップコーティング及び／又は他の適切な付着技法を実施するのに十分な溶液とすることができる。限定はしないが、一例では、約１０ミリパスカル秒（１０ｃｐ）〜約１００ミリパスカル秒（１００ｃｐ）の範囲の粘度を有する単一の溶液が、スピンコーティングによって付着させるのに適しているであろう。
【００２５】
ここで図１を参照すると、一実施形態では、所望の粘度を有する第３の溶液を調製した後に、第３の溶液から成る層１４を基材１２に適用する。任意の適切な基材１２を選択し得ることを理解されたい。適切な基材１２のいくつかの例としては、限定はしないが、単結晶シリコン、多結晶シリコン、酸化シリコン含有誘電体基材、アルミナ、サファイア、セラミック、サーメット（限定はしないが、その一例にはＮｉ−イットリア安定化ジルコニアがある）、及び／又はそれらの混合物が挙げられる。
【００２６】
基材１２上に溶液を付着させるために、任意の適切なプロセスを選択することができる。本発明の一実施形態では、スピンコーティング、スプレーコーティング及び／又はディップコーティング付着法を用いる。限定はしないが、一例では、約３０ＫＨｚ（５００ｒｐｍ）〜約３００ＫＨｚ（５０００ｒｐｍ）の範囲の速度のスピンコーティングにより、第３の溶液層１４を基材１２上に付着させる。種々のプロセス及び組成パラメータに応じて、１回転当たり任意の適切な厚みＬを達成できることを理解されたい。一実施形態では、１回転当たり約１０００オングストローム〜約５０００オングストローム（０．１μｍ〜約０．５μｍ）の範囲の厚みＬが達成される。本発明の実施形態では、一般的に、付着ステップにおいて定着剤を用いる必要がない点で好都合であることを理解されたい。
【００２７】
本発明の一実施形態では、本方法は、その上に第３の溶液層１４を有する基材１２を加熱し、金属塩を酸化して、金属酸化物薄膜１０を形成するステップをさらに含む。加熱するステップは、限定はしないが、ホットプレート加熱及び／又は燃焼をはじめとする、任意の適切な手段によって達成することができる。
【００２８】
一実施形態では、加熱するステップは、約４００℃〜約１２００℃の範囲の温度において実施される。さらに別の一実施形態では、その温度は約５４０℃〜約１０５０℃の範囲である。
【００２９】
本発明者等は、加熱する温度を決定する際に、金属塩内の金属の酸化温度を最初に決定し、それと水溶性ポリマーの酸化温度とを一致させることが有益であり得ることを、思いがけなく且つ幸運にも発見した。限定はしないが、一例では、第３の溶液はＰＶＡ及び塩化セリウムから形成され、加熱する温度は、選択された金属塩及び水溶性ポリマーの酸化温度よりもわずかに高い約５４０℃である（図２及び図４を参照して後に説明する）。
【００３０】
一実施形態では、加熱するステップ中に、第３の溶液は種々の工程に付すことができる。これらの工程としては、限定はしないが、溶媒及び不安定な水の蒸発、水和水の損失、溶媒の熱分解、有機化合物の揮発性副生物への変換、金属塩の酸化物への酸化が挙げられ、本方法の結果として、金属酸化物薄膜１０が形成されるようにする。
【００３１】
本発明の一実施形態によれば、金属酸化物薄膜１０は、約０．０５μｍ〜約５．０μｍの範囲の厚みＦを有する。さらに別の一実施形態では、金属酸化物薄膜１０の厚みＦは、約０．１μｍ〜約１．５μｍである。
【００３２】
本発明の他の一実施形態では、本方法は、任意選択的に、金属酸化物薄膜１０上に第３の溶液から成る後続の層（図示せず）を付着させ、その後、その上に後続の層を有する金属酸化物薄膜１０を加熱するステップを包含する。当該サイクル（第３の溶液層を付着させた後、加熱すること）は、必要に応じて、及び／又は所望により、何度も繰り返すことができ、それによって具体的な最終用途によって望まれるような、且つ／又は要求されるような厚みＦを有する金属酸化物薄膜１０を形成することができる。当該サイクルを繰り返す本発明の他の一実施形態では、形成された金属酸化物薄膜１０は、約５．０μｍ〜約２０．０μｍの範囲の厚みを有することができる。
【００３３】
ここで図２を参照すると、ＰＶＡの熱重量分析のグラフによって、ＰＶＡが約４１０℃〜約４４０℃の範囲の温度において酸化することが示されている。実線は微分重量（％／℃）に対応し、破線は重量（％）に対応する。
【００３４】
ここで図３を参照すると、ＳｍＣｌ３の熱重量分析のグラフによって、塩化サマリウムの塩化物が燃え尽きて酸化物が形成されることが示されている。実線は微分熱流（Ｗ／ｇ／℃）に対応し、破線は熱流（Ｗ／ｇ）に対応する。
【００３５】
ここで図４を参照すると、ＣｅＣｌ３の熱重量分析のグラフによって、セリウムも、ＰＶＡと同様に、約４１０℃〜約４４０℃の範囲の温度において酸化することが示されている。実線は微分重量（％／℃）に対応し、破線は重量（％）に対応する。
【００３６】
本発明の一実施形態による金属酸化物薄膜１０を製造する方法は、任意選択的に、形成された金属酸化物薄膜１０の結晶粒組織を変更するステップを包含する。この変更は、さらに加熱する工程を用いて達成することができる。さらに加熱する工程は、結晶粒組織を望みどおりに変更するのに十分な任意の適切な温度で実施することができる。一実施形態では、これらの温度は、約４００℃〜約１５００℃の範囲である。温度を高めると、結晶粒組織がより大きく成長することを理解されたい。結晶粒組織の変更は、一般的に、金属酸化物薄膜１０の厚みＦにほとんど影響を及ぼさないことをさらに理解されたい。しかしながら、一実施形態では、金属酸化物薄膜１０の厚みＦは、結晶粒をどの程度まで大きく成長させるかを制限することができる。限定はしないが、一例では、一旦、金属酸化物薄膜１０の厚みＦにわたって単粒組織が変更されたなら、一般的に、さらに別の結晶粒組織を成長させるのは難しくなる。
【００３７】
本発明をさらに例示するために、以下の実施例を提示する。この実施例は、例示目的で提示するものであり、本発明の範囲を制限するものと解釈されるべきでないことを理解されたい。
【実施例】
【００３８】
塩化セリウム約５．０ｇ及び塩化サマリウム約１．３５ｇを脱イオン水約２０ｍＬと混合し、第１の溶液を形成した。重量比で約１０％のＰＶＡ、約７５％の水及び約１５％のイソプロパノールを混合して、約２０ｍＬの第２の溶液を形成した。第１の溶液と第２の溶液を混合し、２０ミリパスカル秒（２０ｃｐ）の粘度を有する第３の溶液を形成した。第３の溶液を、１８０ＫＨｚ（３０００ｒｐｍ）にて３０秒間、シリコン基材上にスピンコーティングし、結果として、約１０００Δの薄膜層を形成した。第３の溶液で覆われた基材を約５４０℃で加熱し、サマリウムドープセリア（ＳＤＣ）混合金属酸化物薄膜を形成した。その金属酸化物薄膜をさらに約１０５０℃まで燃焼させて、結晶粒組織を変更した。
【００３９】
付着及び加熱前の第３の溶液の熱重量分析のグラフを図５に示す。実線は微分熱流（Ｗ／ｇ／℃）に対応し、破線は熱流（Ｗ／ｇ）に対応する。何れの理論に基づくまでもなく、このグラフは、第３の溶液が、その中のセリウムを酸化に向かって不安定化させ得ることを示している。
【００４０】
図６は、燃焼したサマリウムドープセリア薄膜のＸ線回折のグラフであり、ＳＤＣが確かに薄膜内に存在することを示している。
【００４１】
図７は、燃焼したサマリウムドープセリア金属酸化物薄膜１０のＳＥＭ平面図である。ＳＤＣ薄膜１０は、燃料極材料として有効に用いることができる。
【００４２】
何れの理論に基づくまでもなく、薄膜１０内に生じる亀裂は、一般的に、収縮／乾燥応力と、熱膨張の差との組み合わせによって生じ得るものと考えられる。亀裂は、触媒作用のための表面積を拡大することによって、電極（燃料極及び空気極の両方）において有利に働くことができることを理解されたい。亀裂が望ましくない場合（例えば、電解質として用いるのに適する材料から薄膜を形成した場合）には、第３の溶液の組成を変更することによって、且つ／又は第３の溶液内に添加剤を入れることによって、薄膜１０内の亀裂を最小限に抑えることができ、且つ／又は実質的になくすことができることを理解されたい。限定はしないが、一例では、粘度の低い第３の溶液を基材１２上で高速スピニングし、その後、加熱することによって、概ね亀裂を生じない、より薄い薄膜が形成される。さらに、低粘度の第３の溶液から成る付加的な層を追加して、より厚みのある、実質的に亀裂のない薄膜１０を達成することができる。
【００４３】
図８は、図７のＳＤＣ薄膜のＳＥＭ断面図を示している。
【００４４】
本発明の方法の実施形態を用いて、限定はしないが、燃料電池において有用な電解質及び電極、イオン伝導性ガス分離膜、及び／又はバッテリー電極をはじめとする、種々の用途のための金属酸化物薄膜を製造できることを理解されたい。
【００４５】
ここで図９を参照すると、本発明の一実施形態では、燃料電池１００は、電解質２８と電気化学的に接触している少なくとも１つの電極を備える。その電極は、燃料極２６又は空気極３０として用い得ることを理解されたい。さらに、電解質２８、燃料極２６及び／又は空気極３０には、本発明の実施形態による金属酸化物薄膜を用い得ることを理解されたい。
【００４６】
図９は、デュアルチャンバ燃料電池１００の簡略化された概略図である。燃料電池はシングルチャンバ燃料電池ともし得ることを理解されたい。
【００４７】
さらに、燃料電池１００として、固体酸化物型燃料電池のうちの１つを用い得ることを理解されたい。
【００４８】
燃料電池１００では、酸化剤３４は空気極３０に運ばれ、反応剤３２は燃料極２６に運ばれる。一実施形態では、反応剤３２は燃料であり、酸化剤３４は酸素、空気、その混合物のうちの１つである。本発明の燃料電池１００には、任意の適切な燃料／反応剤３２を用い得ることを理解されたい。一実施形態では、燃料／酸化剤３２は、水素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、メタノール、エタノール、より高次の直鎖又は混合炭化水素、例えば天然ガス又はガソリン（低硫黄の炭化水素、例えば、低硫黄ガソリン、低硫黄灯油、低硫黄ディーゼルが望ましい）のうちの少なくとも１つ、及びそれらの混合物から選択される。別の一実施形態では、燃料／反応剤３２は、ブタン、プロパン、メタン、ペンタン及びその混合物から成る群から選択される。内部で直に接触改質するのに適している、対象とする作動温度範囲内での蒸気圧が適切である、及び類似のパラメータが適している、燃料を選択することができる。
【００４９】
燃料電池１００がシングルチャンバ燃料電池である場合には、反応剤３２及び酸化剤３４から成る気体混合物を燃料極２６及び／又は空気極３０へと誘導できることを理解されたい。
【００５０】
燃料電池１００を使用する方法の一実施形態は、燃料電池１００を電気的負荷Ｌに、及び／又は蓄電デバイスＳに動作可能に接続するステップを包含する。電気的負荷Ｌには、限定はしないが、コンピュータ、ポータブル電子機器（例えば、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ポータブル電動工具等）、及び通信装置、ポータブル又はそれ以外の民生品及び軍需品のありとあらゆるものをはじめとする、多数の装置が含まれ得る。蓄電デバイスＳとしては、限定はしないが、例として、コンデンサ、バッテリ及びパワーコンディショニングデバイスのありとあらゆるものを挙げることができる。いくつかの例示的なパワーコンディショニングデバイスには、無停電電源、ＤＣ／ＡＣコンバータ、ＤＣ電圧コンバータ、電圧レギュレータ、電流リミッタ等が含まれる。
【００５１】
場合によっては、本発明の燃料電池１００は、輸送業、例えば電気自動車（power automobile）、及び公益事業、例えば発電所において用いるのにも適しているものと考えられる。
【００５２】
本発明の実施形態は数多くの利点を提供することができ、その例としては、限定はしないが、以下のことが挙げられる。本発明の方法の一実施形態によれば、低コストの材料及び装置を用い得る点で好都合である。さらに、一実施形態では、安価な金属塩を用いる結果として、標準的な実験室及び製造条件を用いて工程の自由度を大きくすることができ、一般的にｐＨ及び温度を注意深く制御する必要がないという点で好都合である。さらに、本発明の一実施形態では、一般的に、グリコールではなく、ポリマーを使用する結果として、基材の濡れが良好になる点で好都合である。本発明の方法の一実施形態では、時間のかかるキレート化工程が一般的に避けられる。さらに、本発明の方法によれば、一般的に、高いスループットを低下させることなく、金属酸化物薄膜の形成を高速且つ効率的に実施し得る点で好都合である。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態を詳細に開示してきたが、開示した実施形態を変更し得ることは当業者には明らかであろう。それ故、これまでの説明は、限定するものではなく、例示するものと見なされるべきであり、本発明の真の範囲は、添付の特許請求の範囲において定められる範囲である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態のいくつかのステップを示す概略図
【図２】ポリビニルアルコールの熱重量分析グラフ
【図３】ポリマーを用いない塩化サマリウムの熱重量分析グラフ
【図４】ポリマーを用いない塩化セリウムの熱重量分析グラフ
【図５】加熱前のサマリアドープセリア溶液の熱重量分析グラフ
【図６】本発明の一実施形態による燃焼後のサマリアドープセリア薄膜のＸ線回折グラフ
【図７】本発明の一実施形態による燃焼後のサマリウムドープセリア薄膜の倍率２０，０００×の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）
【図８】本発明の一実施形態による燃焼後のサマリウムドープセリア薄膜の断面図の倍率５０，０００×のＳＥＭ
【図９】本発明の一実施形態による燃料電池の概略図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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