Viene sviluppata una tecnica praticabile per la formazione di bicristalli di titanato di stronzio ad alta pressione e velocità di riscaldamento rapida tramite l'apparato di sinterizzazione al plasma a scintille.
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Articolo metodologico
Viene sviluppata una tecnica praticabile per la formazione di bicristalli di titanato di stronzio ad alta pressione e velocità di riscaldamento rapida tramite l'apparato di sinterizzazione al plasma a scintille.
Un apparecchio di sinterizzazione al plasma a scintilla è stato utilizzato come nuovo metodo per il legame per diffusione di due singoli cristalli di titanato di stronzio per formare bicristalli con un bordo di grano a torsione. Questo apparecchio utilizza un'elevata pressione uniassiale e una corrente continua pulsata per un rapido consolidamento del materiale. Il legame per diffusione di bicristalli di titanato di stronzio senza frattura, in un apparato di sinterizzazione al plasma a scintilla, è possibile ad alte pressioni grazie all'insolito comportamento di plasticità dipendente dalla temperatura del titanato di stronzio. Dimostriamo un metodo per la formazione di bicristalli a scale temporali accelerate e temperature più basse in un apparato di sinterizzazione al plasma a scintilla rispetto ai bicristalli formati da parametri convenzionali di legame di diffusione. La qualità del legame è stata verificata mediante microscopia elettronica a scansione. Un'interfaccia pulita e atomicamente brusca che non contiene fasi secondarie è stata osservata utilizzando tecniche di microscopia elettronica a trasmissione. I cambiamenti locali nel legame attraverso il confine sono stati caratterizzati dalla microscopia elettronica a trasmissione a scansione simultanea e dalla spettroscopia di perdita di energia elettronica risolta nello spazio.
Sinterizzazione Spark plasma (SPS) è una tecnica in cui l'applicazione di alta pressione uniassiale e pulsati cavi in corrente continua al rapido addensamento di polvere compatta 1. Questa tecnica porta anche alla formazione di successo di strutture composite da vari materiali, tra nitruro di silicio / carburo di silicio, zirconio boruro / carburo di silicio, carburo di silicio o, in mancanza di aiuti sinterizzazione aggiuntivi necessari 2, 3, 4, 5. La sintesi di queste strutture composite convenzionale di pressatura a caldo era stato impegnativo in passato. Mentre l'applicazione di alta pressione uniassiale e velocità di riscaldamento veloce tramite la tecnica SPS migliora consolidamento delle polveri e compositi, il fenomeno causa questo maggiore densificazione dibattuto in letteratura 2, 3,class = "xref"> 6, 7. Esiste anche solo informazioni limitate per quanto riguarda l'influenza dei campi elettrici sulla formazione bordo grano e le risultanti strutture atomiche di core bordo di grano 8, 9. Queste strutture di base determinano le proprietà funzionali di SPS materiali sinterizzati, tra cui scintilla di condensatori ad alta tensione e la resistenza meccanica e la durezza di ossidi ceramici 10. Pertanto, la comprensione della struttura bordo grano fondamentale in funzione dei parametri di processo SPS, come corrente applicata, è necessario per la manipolazione delle proprietà fisiche globali di un materiale. Un metodo per chiarire sistematicamente i meccanismi fisici fondamentali relativi SPS è la formazione di strutture di confine dei grani specifici, cioè, bicrystals. Un bicrystal viene creato manipolazione dei due cristalli singoli, che sono poi diffusione legato con particolare misorientation angoli 11. Questo metodo fornisce un modo controllato per indagare le fondamentali strutture principali bordo di grano in funzione dei parametri di processo, concentrazione di drogante, ed impurità separazione 12, 13, 14.
Saldatura per diffusione dipende quattro parametri: temperatura, tempo, pressione, e l'atmosfera incollaggio 15. Convenzionale saldatura per diffusione di titanato di stronzio (SrTiO 3, STO) bicrystals tipicamente avviene ad una pressione inferiore a 1 MPa, ad una temperatura di 1400-1500 ° C, e scale temporali che vanno da 3 a 20 ore 13, 14, 16, 17. In questo studio, bonding in un apparato SPS viene raggiunto a significativamente inferiori scale di temperatura e tempo in cONFRONTO ai metodi convenzionali. Per i materiali policristallini, ridotta temperatura e tempo scale tramite SPS limita significativamente la crescita del grano, fornendo in tal modo il controllo vantaggiosa di proprietà di un materiale attraverso la manipolazione della sua microstruttura.
L'apparecchiatura SPS, per un campione di 5 × 5 mm 2, esercita una pressione minima di 140 MPa. Nell'intervallo di temperatura diffusion bonding convenzionale, Hutt et al. segnalare frattura istantanea STO quando la pressione di legame supera i 10 MPa 18. Tuttavia, STO mostra temperatura comportamento dipendente plasticità, che indica la pressione di incollaggio può superare il 10 MPa a temperature specifiche. Sopra 1.200 ° C e sotto i 700 ° C, STO espone alcuni duttilità, in cui sottolinea superiore a 120 MPa può essere applicato senza frattura istantanea del campione. All'interno della gamma di temperatura intermedia di 700-1,200 ° C, STO è fragile e le esperienze frattura istantanea a strecce maggiore di 10 MPa. A 800 ° C, STO ha deformabilità minore prima della frattura a tensioni inferiori a 200 MPa 19, 20, 21. Quindi, le temperature di legame per la formazione STO bicrystal tramite apparecchi SPS devono essere selezionati in base al comportamento plasticità del materiale.
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1. Preparazione del campione di singolo cristallo titanato di stronzio
NOTA: STO cristallo singolo è fornito con un (100) di superficie lucidata a specchio.
2. Formazione Bicrystal via Spark Plasma Sintering Apparatus
NOTA: per 5x5 mm 2 uso di cristallo di 30 mm di diametro stampo grafite. Se si utilizza uno stampo con un diametro inferiore a 30 mm, il bicrystal fratture catastroficamente durante il legame. dimensioni del die ottimale così come la pressione esercitata dalla apparecchiatura SPS è fortemente dipendente dalla dimensione dei cristalli.
3. Preparazione del campione di Bicrystal per Electron Beam Imaging
4. Pulizia del rame griglia FIB
NOTA: pulizia improprio della griglia FIB può portare alla contaminazione di carbonio della lamella nel TEM.
5. Preparazione di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) lamelle via Focused Ion Beam (FIB) Apparato
NOTA: Tutti i parametri utilizzati per la preparazione FIB sono digitato o selezionato da un menu a tendina nel software dell'apparato FIB.
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Temperatura di collegamento, il tempo, e l'angolo misorientation erano alterati per determinare i parametri ottimali necessari per la frazione massima interfaccia bonded possibile del bicrystal STO (Tabella 1). L'interfaccia è stata considerata 'legato' quando il bordo grano non era visibile durante l'imaging SEM (Figura 2a). Un'interfaccia 'non-bonded' stato esposto quando erano presenti nel luogo di confine (Figu...
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La temperatura di collegamento di 1200 ° C è stato scelto per massimizzare diffusione come piccole variazioni di temperatura possono influenzare notevolmente la cinetica di tutti i meccanismi di diffusione incollaggio. Una temperatura di 1200 ° C è fuori dal fragile-duttile di temperatura di transizione di STO. Tuttavia, il campione sottoposto rottura fragile a questa temperatura. Il fallimento catastrofico del bicrystal STO non era inaspettato come STO ha ~ 0,5% duttilità a 1200 ° C. Inoltre, il campione è stato tenuto...
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Non abbiamo nulla da rivelare.
LH riconosce con gratitudine il sostegno finanziario da parte di un Science Foundation Graduate Research Fellowship US National sotto di Grant No. 1148897. La microscopia elettronica caratterizzazione e trattamento SPS presso UC Davis è stato sostenuto finanziariamente da un premio dell'Università della California a pagamento Laboratory (# 12-LR-238313). Il lavoro alla fonderia molecolare è stato sostenuto dal Office of Science, Ufficio delle scienze di base di energia, del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sotto contratto n DE-AC02-05CH11231.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Cristallo singolo di titanato di stronzio (100) | MTI Corporation | STOa101005S1-JP | |
| Incisione di ossido tamponato, acido irofluorico 6:1 | JT Baker | MBI 1178-03 | |
| Microscopio elettronico a scansione (SEM) | FEI | Modello: 430 Apparecchio NanoSEM | |
| SPS | Sumitomo Coal Mining Co | Modello: Dr. Sinter 5000 SPS Apparecchio | |
| Forno ad alta temperatura | Thermolyne | Modello: 41600 | |
| Pulitore ad ultrasuoni | Bransonic | Modello: 221 | |
| Lucidatrice meccanica | Allied High Tech Products | 15-2100-TEM | |
| Film di lappatura diamantato | 3M | 660XV | 1 μ m a 9 μ m Grana Dimensione |
| Film per lappatura diamantato | 3M | 661X | 0,5 μ m a 0,1 μ m Granulometria |
| Silice colloidale | Prodotti high-tech alleati | 180-20000 | 0,05 μ m Graniglia Dimensione |
| Sputter coater | QuorumTech | Modello: Q150RES | |
| Strumento a fascio ionico focalizzato (FIB) | Modello FEI | : Strumento a fascio ionico focalizzato (FIB) a doppio fascio Scios | |
| Sistema di preparazione dei campioni Nanomill TEM | Fischione Instruments | Modello: 1040 | |
| Microscopio elettronico a trasmissione (TEM) | Modello JEOL | : JEM2500 SE | |
| Microscopio elettronico a scansione e trasmissione (STEM) | FEI | Modello: TEAM 0.5 |
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