开发了一种利用放电等离子烧结装置在高压和快速加热条件下制备钛酸锶双晶的有效技术。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
采用放电等离子烧结设备作为扩散连接氧化锶钛单晶以形成含单一扭转晶界的双晶材料的新型方法。该设备利用高单轴压力和脉冲直流电流实现材料的快速致密化。由于氧化锶钛具有异常的温度依赖性塑性行为，在放电等离子烧结设备中施加高压力可实现氧化锶钛双晶的无断裂扩散连接。与传统扩散连接工艺相比，本方法可在放电等离子烧结设备中以更短的时间和更低的温度成功制备双晶。通过扫描电子显微镜验证了连接质量。利用透射电子显微技术观察到界面洁净且原子级突变，未发现任何第二相。通过同步扫描透射电子显微镜与空间分辨电子能量损失谱技术，表征了晶界附近区域的局部结合特性。
引言
放电等离子烧结（SPS）是一种通过施加高单轴压力和脉冲直流电流，实现粉末压坯快速致密化的技术。1该技术还可成功制备多种材料的复合结构，包括氮化硅/碳化硅、硼化锆/碳化硅或碳化硅，且无需额外添加烧结助剂。2,3,4,5过去，通过传统热压法合成这些复合结构一直具有挑战性。虽然放电等离子烧结（SPS）技术通过施加高单轴压力和快速加热速率能够促进粉末与复合材料的致密化，但文献中对于导致这一增强致密化现象的机理仍存在争议。2,3,6,7关于电场对晶界形成及其晶界核心原子结构影响的研究也极为有限。8,9这些核心结构决定了SPS烧结材料的功能特性，包括高压电容器的电击穿性能以及陶瓷氧化物的机械强度和韧性10因此，了解放电等离子烧....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 单晶钛酸锶样品制备
注意：单晶 STO 提供的 (100) 表面已抛光至镜面光洁度。
- 使用金刚石线锯将 STO 切割成 5×5 mm2 的小片。
- 将样品依次在丙酮、异丙醇和甲醇溶液中各超声清洗十五分钟，频率为 50–60 Hz。
- 从甲醇溶液中取出 STO 样品后，立即置于温度维持在 200 °C 的加热板上。清洗后加热样品可防止醇类挥发产生蒸发斑点。
- 将样品放入缓冲氢氟酸溶液（pH=4，由六份氟化铵与一份 49% 氢氟酸配制而成）中处理十分钟22。该溶液对 STO 进行刻蚀，形成主要为 (100) 面 TiO2 终止的表面。若单晶的光学平整面出现彩虹色晕膜，则表明样品已被过度刻蚀，不应继续使用。
- 在刻蚀液中处理十分钟后，先用去离子水（DI）冲洗样品，再用异丙醇冲洗，最后用洁净的压缩空气吹干。
2. 通过放电等离子烧结设备制备双晶
注意：对于 5x5 mm2 的晶体，应使用直径为 30 mm 的石墨模具。若使用直径小于 30 mm 的模具，双晶在键合过程中会发生灾难性断裂。最佳模具尺寸以及 SPS 设备施加的压力在很大程度上取决于晶体的尺....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
通过改变键合温度、时间以及错取向角，确定实现STO双晶最大可能键合界面比例所需的最优参数（表1）。在扫描电镜（SEM）成像过程中，若晶界不可见，则认为该界面“已键合”（图2a）；当界面位置出现暗对比或孔隙时，则表现为“未键合”界面（图2b）。暗对比表明，聚焦离子束（FIB）样品制备过程中使用的胶体石墨因毛细作用扩散至两块STO晶体之间。这种未键合界面通常出现在双晶的边缘区域，而已键合界面则位于双晶中心。这种从边缘到中心键合行为的变化，在通过放电等离子烧结（SPS）设备制备的双晶中可见，也在通过热压技术制备的双晶中被观察到6。
在所有样品中均观察到双晶体内部产生微裂纹。对于成功键合的双晶，微裂纹的形成不影响键合界面。在键合温度为 1,200 °C，会发生大量微裂纹，导致双晶在退火过程中发生脆性断裂。因此，S.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
选择1,200 °C的键合温度是为了最大限度地促进扩散，因为温度的微小变化会显著影响所有扩散键合机制的动力学。1,200 °C的温度超出了STO的脆韧转变温度范围。然而，样品在此温度下仍发生了脆性断裂。STO双晶的灾难性失效并不意外，因为在1,200 °C时STO的延展性仅为约0.5%。此外，样品在整个加热过程中承受140 MPa的压力，而在该加热过程中，STO会经历其脆性阶段，此时延展性为0%21。因此，通过SPS装置成功实现单晶的扩散键合，必须深入理解材料的温度依赖性塑性行为。
在800 °C的键合温度和20分钟的键合时间条件下制备了两个双晶样品。名义取向差为4˚的双晶经50小时退火后，其键合界面比例是名义取向差为45°、经140小时退火的双晶的2.2倍。退火时间超过50小时后，扩散键合质量未见显著改善。所选的退火温度和时间参数依据先前的研究确定，此前双晶是在高真空炉中制备的，条件与SPS装置类似11。为确认退火过程是否对这些双晶的扩散键合产生影响，计算了扩散键合长度，发现在1,20.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
我们没有需要披露的内容。
致谢
LH 感谢美国国家科学基金会研究生研究奖学金（资助号 1148897）提供的经费支持。在加州大学戴维斯分校进行的电子显微镜表征和放电等离子烧结（SPS）处理得到了加州大学实验室费用资助项目（#12-LR-238313）的经费支持。分子制造中心的工作由美国能源部科学办公室、基础能源科学办公室通过合同号 DE-AC02-05CH11231 提供支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 钛酸锶单晶 (100) | MTI Corporation | STOa101005S1-JP | |
| 缓冲氧化物刻蚀液，氢氟酸 6:1 | JT Baker | MBI 1178-03 | |
| 扫描电子显微镜 (SEM) | FEI | 型号：430 NanoSEM | |
| 放电等离子烧结装置 | 住友煤炭矿业有限公司 | 型号：Dr. Sinter 5000 SPS 装置 | |
| 高温炉 | Thermolyne | 型号：41600 | |
| 超声波清洗器 | Bransonic | 型号：221 | |
| 机械抛光机 | Allied High Tech Products | 15-2100-TEM | |
| 金刚石研磨膜 | 3M | 660XV | 1 μm 至 9 μm 粒径 |
| 金刚石研磨膜 | 3M | 661X | 0.5 μm 至 0.1 μm 粒径 |
| 胶体二氧化硅 | Allied High Tech Products | 180-20000 | 0.05 μm 粒径 |
| 溅射镀膜仪 | QuorumTech | 型号：Q150RES | |
| 聚焦离子束 (FIB) 仪器 | FEI | 型号：Scios 双束聚焦离子束 (FIB) 仪器 | |
| 纳微铣削透射电镜样品制备系统 | Fischione Instruments | 型号：1040 | |
| 透射电子显微镜 (TEM) | JEOL | 型号：JEM2500 SE | |
| 扫描透射电子显微镜 (STEM) | FEI | 型号：TEAM 0.5 |
参考文献
- Munir, Z. A., Anselmi-Tamburini, U., Ohyanagi, M. The effect of electric field and pressure on the synthesis and consolidation of materials: A review of the spark plasma sintering method. J. Mater. Sci. 41 (3), 763-777 (2006).
- Chen, W., Anselmi-Tamburini, U., Garay, J. E., Groza, J. R., Munir, Z. A. Fundamental investigations on the spark plasma sintering/synthesis process: I. Effect of dc pulsing on reactivity. Mater. Sci. Eng. A. 394 (1-2)....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
标签
