Spark Plasma Sintering Gerät verwendet für die Bildung von Strontiumtitanat Bikristalle

Das Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Strontiumtitanat-Bikristalle mithilfe einer Funken-Plasma-Sinteranlage herzustellen, um Korngrenzstrukturen mit gut definierten Fehlorientierungen in Abhängigkeit von Verarbeitungsparametern wie hohem Druck und Aufheizgeschwindigkeit zu erzeugen. Wir müssen verstehen, ob die während der SPS erzeugten Korngrenzen sich von denen unterscheiden, die bei traditionelleren keramischen Verarbeitungstechniken entstehen. Dies wird uns anschließend dabei helfen, neue keramische Materialien mit beispiellosen Eigenschaften zu entwickeln.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, spezifische Korngrenzen mit gut definierten Fehlorientierungen zu erzeugen, um die Bildung der Mikrostruktur während des Spark-Plasma-Sinterns systematisch zu verstehen. Beginnen Sie die Probenvorbereitung, indem Sie mit einer Diamantdrahtsäge fünf Millimeter mal fünf Millimeter große Stücke eines Strontiumtitanat-Einkristalls schneiden, dessen (1-0-0)-Oberfläche auf einen Spiegelglanz poliert ist. Reinigen Sie die Proben nacheinander 15 Minuten lang in Ultraschallbädern aus Aceton, Isopropanol und Methanol bei 50 bis 60 Hertz.

Heizen Sie eine Heizplatte während der Reinigung auf 200 Grad Celsius auf. Unmittelbar nach Abschluss der Ultraschallreinigung in Methanol die Proben zur Trocknung auf die Heizplatte legen. Die Proben 10 Minuten lang in einer sechs zu eins-Lösung aus Ammoniumfluorid und 49 %iger Flusssäure ätzen.

Spülen Sie die geätzten Proben nacheinander mit entionisiertem Wasser und Isopropanol. Trocknen Sie die Proben mit gefilterter, trockener Luft. Entsorgen Sie alle Proben, die auf der optisch planen Seite eine Regenbogenfärbung entwickelt haben.

Platzieren Sie zunächst einen 30 Millimeter durchmessenden Kreis aus Graphitpapier auf einem Graphitstößel mit 30 Millimeter Durchmesser. Stapeln Sie dann zwei STO-Einkristallproben mit ihren optisch planen Seiten zueinander auf der Mitte des mit Papier bedeckten Stößels. Drehen Sie den oberen Einkristall um die 1-0-0-Achse auf den gewünschten Fehlorientierungswinkel.

Schieben Sie vorsichtig einen Graphitstempel mit 30 mm Durchmesser über die Kristalle und den Stößel. Fügen Sie einen weiteren 30 mm großen Kreis aus Graphitpapier und einen Stößel in den Stempel oben auf den Kristallstapel ein. Stellen Sie die Montage auf den unteren Graphitabstandshalter der SPS-Vorrichtung.

Danach den anderen Graphitspacer auf die Anordnung legen. Mithilfe der Steuertasten der z-Achse den oberen Stempel absenken, um eine einachsige Kraft von drei Kilonewton auf die Anordnung auszuüben. Eine Thermosäule vom Typ K in die Seite der Graphitform einführen, um die Probe zu erreichen.

Stellen Sie den Kammerdruck auf etwa 10 Pascal ein. Danach legen Sie am Geräteprogrammsteuergerät die Bondtemperatur, die Zeit und die Aufheizraten für das Experiment fest. Wählen Sie Sinterbedingungen mit einem Gleichstromimpuls von 12 Sekunden Ein- und zwei Sekunden Ausschaltzeit und starten Sie anschließend das Sinterprogramm.

Nach Beendigung des Programms lassen Sie die Probe auf 150 Grad Celsius abkühlen. Überführen Sie die grauschwarze reduzierte Probe in einen Hochtemperaturofen. Glühen Sie die Probe 140 Stunden lang bei 1200 Grad Celsius in Luft bei Umgebungsdruck, um den blassweißen oxidierten Biskristall zu erhalten.

Verwenden Sie eine Diamantdrahtsäge, um den Bicrystal in fünf Millimeter mal einen Millimeter große Stücke zu schneiden. Polieren Sie die Querschnitte mit abnehmender Körnung von Diamant-Läppfolie, bis die Kratzer bei der feinsten Körnung gleichmäßig sind. Führen Sie anschließend ein zweiminütiges Polieren der Querschnitte mit kontinuierlich zugeführter kolloidaler Kieselsäure und einem matten Tuch durch.

15 Sekunden vor Ende der Politur wechseln Sie vom Gießen von kolloidalem Siliziumdioxid zum Gießen von entsalztem Wasser auf die Politurplatte. Spülen Sie die polierte Probe sofort für eine Minute in entsalztem Wasser ab. Reinigen Sie die polierte Probe nacheinander in Ultraschallbädern aus Aceton, Isopropanol und Methanol jeweils 15 Minuten lang.

Trocknen Sie die Probe unmittelbar nach der Reinigung auf einer Heizplatte bei 200 Grad Celsius. Schmelzen Sie die saubere Probe mit polierter Seite nach oben auf einem Probenhalter, der mit kolloidalem Graphit beschichtet ist. Bedampfen Sie die Probenoberfläche mit zwei bis drei Nanometern Kohlenstoff.

Platzieren Sie zunächst das Fokussier-Ionenstrahl-Kupfergitter nacheinander für jeweils eine Stunde in Ultraschallreinigungsbaden aus Aceton und Isopropanol. Danach reinigen Sie das Kupfergitter im Plasma für 10 Minuten. Stellen Sie die STO-Bikristallprobe und das gereinigte Kupfergitter in die FIB-Anlage, wobei der Probentisch auf sieben Millimeter eingestellt ist.

Identifizieren Sie in der FIB-Instrumentensoftware einen Bereich von Interesse entlang der Korngrenze. Navigieren Sie zur Mustergesteuerung und wählen Sie das Rechteck-Mustergestaltungswerkzeug mit der CE-Tiefenoberflächenanwendung für die Elektronenstrahlablagerung von Kohlenstoff. Führen Sie die Kohlenstoff-Gaseinspritznadel ein und lagern Sie eine 15 mal zwei mal zwei Mikrometer³ große Schutzschicht aus Kohlenstoff über dem Bereich von Interesse ab.

Ziehen Sie dann die Injektionsnadel zurück. Wechseln Sie zur Mustergabesteuerung und wählen Sie das Rechteck-Mustergabewerkzeug mit einer W-abhängigen Anwendung für die Ionenstrahlablagerung von Wolfram. Führen Sie die Gasinjektionsnadel für Wolfram ein und lagern Sie eine Schutzschicht aus Wolfram mit denselben Abmessungen über dem interessierenden Bereich ab.

Ziehen Sie die Injektionsnadel zurück. Wählen Sie bei der Mustersteuerung das Werkzeug für regelmäßige Querschnittsmusterung mit der Silikon-Applikationseigenschaft aus. Fräsen Sie eine 22 mal 27 mal 15 Mikrometer³ große Rinne oberhalb des geschützten ROI und eine 22 mal 25 mal 15 Mikrometer³ große Rinne unterhalb des ROI.

Danach im Strukturierungs-Steuermodus das Silizium-Reinigungsquerschnitt-Strukturierungswerkzeug verwenden, um die strukturierte Lamellenoberfläche zu reinigen. Anschließend das Silizium-Rechteck-Strukturierungswerkzeug verwenden, um ein zwei Mikrometer breites J-förmiges Muster mit zwei Mikrometer breiten Rechtecken in die Probe einzuschneiden. Zum Dialogfeld „Einfacher Hebevorgang“ wechseln und den Mikromanipulator in die Parkposition bringen.

Senken Sie den Mikromanipulator ab und verschweißen Sie die Probe an der Spitze des Mikromanipulators durch Wolframeinlagerung. Erweitern Sie dann das J-Muster zu einem U-Muster. Heben Sie die Lamelle aus der Probensubstanz ab und drehen Sie den Mikromanipulator um 180 Grad, um die Korngrenze senkrecht zum Ionenstrahl auszurichten.

Wolframelektroden werden mit einer Lamelle an das Kupfergitter angeschweißt. Danach wird der Mikromanipulator mithilfe des Rechteck-Musterungswerkzeugs von der Lamelle abgetrennt. Es wird eine 15 mal zwei mal vier Mikrometer große kubische Schicht aus Kohlenstoff und eine 15 mal zwei mal acht Mikrometer große kubische Schicht aus Wolfram über den Bereich von Interesse abgeschieden.

Danach dünnt man die Probe zunächst mit dem Ionenstrahl und einem Reinigungsquerschnittsmuster auf etwa 200 Nanometer und anschließend mit einem Rechteckmuster auf Elektronendurchlässigkeit. Entfernen Sie das Kupfer-FIB-Gitter aus der FIB-Apparatur und platzieren Sie das Gitter auf einem NanoMil-Probenhalter.

Platzieren Sie dann den Probenhalter in das NanoMil-Gerät. Mit der Software des NanoMil-Geräts die Probe 10 Minuten lang bei 500 Elektronenvolt bearbeiten, um amorphe Schäden, die durch das FIB verursacht wurden, zu entfernen. Die gereinigte TEM-Probe in einen Probenhalter geben und den Probenhalter mit der Probe in das STEM einsetzen.

Verwenden Sie in der STEM-Software das Aufnahmewerkzeug, um ein Bild der Korngrenze der Probe zu erhalten. Strontiumtitanat-Bikristalle wurden aus Einkristallpaaren unter verschiedenen Fehlorientierungswinkeln mithilfe einer Funken-Plasma-Sintervorrichtung hergestellt. Die Grenzfläche galt als verbunden, wenn die Korngrenze in der REM-Aufnahme nicht sichtbar war.

Bereiche mit dunklem Kontrast in den Bildern sind entweder Hohlräumen oder der Diffusion kolloidalen Graphits zwischen den Einkristallen zuzuschreiben. Der maximale Bruchteil der verbundenen Grenzfläche wurde bei einer Fehlorientierung von null Grad, einer Bondtemperatur von 600 oder 700 Grad Celsius, einer Bonddauer von 90 Minuten und einer Glühzeit von 100 Stunden erreicht. Eine Erhöhung des Fehlorientierungswinkels auf etwa 45 Grad erforderte eine höhere Bondtemperatur und eine längere Glühzeit, um eine 45 %ige verbundene Grenzfläche zu erzielen.

Die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie und die STEM-Aufnahme im hochwinkeligen annularen dunklen Feld zeigen eine atomar scharfe Korngrenze ohne beobachtbare Sekundärphasen oder interkristalline Filme. Die Elektronenenergieverlustspektroskopie an der Grenzfläche zeigte eine verminderte Kristallfeldaufspaltung der Titan-L2- und L3-Kanten sowie eine verminderte Intensität der Sauerstoff-K-Kante im Vergleich zum Volumenkristall, was auf eine höhere Konzentration von Sauerstoffleerstellen an der Grenzfläche hindeutet. Mit derselben Methode können wir ebenfalls dotierte Korngrenzen mittels SPS herstellen.

Dies wird uns helfen zu klären, ob das elektrische Feld die Korngrenzensegregation verändert. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Bikristalle mit atomar scharfen Grenzflächenstrukturen mittels SPS herstellt. Vergessen Sie nicht, dass Flusssäure äußerst gefährlich sein kann und Vorsichtsmaßnahmen wie der Einsatz persönlicher Schutzausrüstung getroffen werden sollten.