Synthèse de SrTiO non uniformément dopé Pr<sub> 3</sub> Céramique et leurs propriétés thermoélectriques
Summary
A protocol for the synthesis and processing of polycrystalline SrTiO3 ceramics doped non-uniformly with Pr is presented along with the investigation of their thermoelectric properties.
Abstract
We demonstrate a novel synthesis strategy for the preparation of Pr-doped SrTiO3 ceramics via a combination of solid state reaction and spark plasma sintering techniques. Polycrystalline ceramics possessing a unique morphology can be achieved by optimizing the process parameters, particularly spark plasma sintering heating rate. The phase and morphology of the synthesized ceramics were investigated in detail using X-ray diffraction, scanning electron microcopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy. It was observed that the grains of these bulk Pr-doped SrTiO3 ceramics were enhanced with Pr-rich grain boundaries. Electronic and thermal transport properties were also investigated as a function of temperature and doping concentration. Such a microstructure was found to give rise to improved thermoelectric properties. Specifically, it resulted in a significant improvement in carrier mobility and the thermoelectric power factor. Simultaneously, it also led to a marked reduction in the thermal conductivity. As a result, a significant improvement (> 30%) in the thermoelectric figure of merit was achieved for the whole temperature range over all previously reported maximum values for SrTiO3-based ceramics. This synthesis demonstrates the steps for the preparation of bulk polycrystalline ceramics of non-uniformly Pr-doped SrTiO3.
Introduction
thermoélectrique d'oxyde ont été présentés comme des candidats prometteurs pour des applications thermoélectriques à haute température, de stabilité et de coûts perspectives à propriétés de transport électronique. Parmi les thermoélectrique d'oxyde de type n, le titanate de strontium fortement dopé (STO) a attiré beaucoup d'attention en raison de ses propriétés électroniques intrigantes. Cependant, une grande conductivité thermique totale (κ ~ 12 W m -1 K -1 à 300 K pour monocristaux) 1 et une faible mobilité de porteuse (μ ~ 6 cm 2 V -1 s -1 à 300 K pour monocristaux) 1 nuire à l'exercice thermoélectrique qui est évaluée par un chiffre sans dimension du mérite, ZT = α 2 σT / κ, où α est le coefficient Seebeck, σ la conductivité électrique, T la température absolue en Kelvin, et κ la conductivité thermique totale. On définit ici le numérateur que le facteur de puissance, PF = α 263; T. Pour ce matériau thermoélectrique d'oxyde de rivaliser avec d'autres thermoélectrique à haute température (tels que des alliages SiGe), une augmentation plus prononcée dans le facteur et / ou une diminution de la conductivité thermique réseau électrique sont obligatoires.
La majorité des études expérimentales en vue d'améliorer les propriétés thermoélectriques de STO ont principalement porté sur la réduction de la conductivité thermique à travers souche-champ et de la diffusion des phonons de fluctuation de masse. Ces tentatives comprennent: (i) simple ou double dopage de la Sr 2+ et / ou Ti 4+ sites, les principaux efforts par rapport à cette direction, 2,3 (ii) Synthèse de super-réseau naturel structures Ruddlesden-Popper afin de réduire davantage la conductivité thermique à travers les couches de sro, 4 et (iii) l'ingénierie composite isolant par addition d'une deuxième phase de taille nanométrique. 5 Toutefois, jusqu'à tout récemment, aucune stratégie de mise en valeur a été signalé à substantially augmenter le facteur de puissance thermoélectrique en ces oxydes. Les valeurs rapportées facteur de puissance maximale (PF) en simple en vrac et de la STO poly-cristallin ont été confinés à une limite supérieure de PF <1,0 W m -1 K -1.
Une variété d'approches de synthèse et des techniques de traitement ont été utilisées pour mettre en œuvre les idées tentatives ci-dessus. Les voies de synthèse de poudre comprennent la réaction à l'état solide conventionnelle, 6 sol-gel, 7 hydrothermale, 8 et de la combustion de synthèse, 9 alors frittage conventionnel, 6 pressage à chaud 10 et récemment frittage flash 12 sont parmi les techniques courantes utilisées pour densifier les poudres dans la céramique en vrac. Cependant, pour un dopant similaire (par exemple, La) et la concentration de dopage, la céramique en vrac résultantes présentent une gamme de propriétés de transport électronique et thermique. Cela est en grande en raison de la défectuosité de la chimie fortement processus dépendant de SrTiO <sub> 3 qui en résulte des propriétés de synthèse dépendante. Il ya seulement une poignée de rapports en optimisant les paramètres de synthèse et de traitement au profit des transports thermoélectrique. Il est à noter qu'en raison de la très petite phonon libre parcours moyen dans SrTiO 3 (l ph ~ 2 nm à 300 K), 11 nanostructuration est pas une option viable pour l'amélioration de la performance TE de la céramique en vrac de la STO principalement grâce à la réduction la conductivité thermique de treillis.
Récemment, nous avons rapporté plus de 30% d'amélioration dans la figure thermoélectrique de mérite non-uniformément Pr dopées SrTiO 3 céramiques provenant d'un facteur de puissance thermoélectrique simultanément améliorée et réduit la conductivité thermique. 12,13 Dans ce protocole vidéo détaillée, nous présentons et discuter des étapes de notre stratégie de synthèse pour la préparation de ces Pr dopé céramiques STO présentant de meilleures propriétés électroniques et thermoélectriques.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans ce protocole, nous avons présenté les étapes de la stratégie de synthèse afin de préparer avec succès polycristallins vrac Pr dopé SrTiO 3 céramiques présentant de meilleures propriétés électroniques et thermoélectriques. Les principales étapes du protocole comprennent (i) la synthèse à l'état solide de l'dopé SrTiO3 poudre dans l'air sous pression atmosphérique et (ii) en tirant parti des capacités de la technique de frittage flash pour densifier la poudre pr?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors wish to acknowledge the competitive faculty-initiated collaboration (FIC) grant from KAUST.
Materials
| SrCO3 Powder, 99.9% | Sigma Aldrich | 472018 | |
| TiO2 Nanopowder, 99.5% | Sigma Aldrich | 718467 | |
| Pr2O3 Sintered Lumps, 99.9% | Alfa Aesar | 35663 | |
| Name of Equipment | |||
| Spark Plasma Sintering | Dr. Sinter Lab | SPS-515S | |
| Resistivity/Seebeck Coefficient Measurement System | Ulvac-Riko | ZEM-2 | |
| Laser Flash Thermal Diffusivity Measurement System | Netzsch | LFA-457 Microflash | |
| Differential Scanning Calorimetry (DSC) System | Netzsch | 404C Pegasus | |
| Physical Property Measurement system (PPMS) | Quantum Design | ||
| Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) | Hitachi | SU-6600 | |
| Energyy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) | Oxford Instruments | ||
| X-ray Diffractometer | Rigaku | Ultima IV | |
| Bench-top Sputter Coater | Denton Vacuum | Desk II | |
| Diamond Wheel Saw | South Bay Technology |
Referenzen
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