Spark Plasma Sintering apparecchio utilizzato per la formazione di titanato di stronzio Bicrystals

L'obiettivo di questa procedura è formare bicristalli di titanato di stronzio utilizzando un apparato di sinterizzazione con plasma ad accensione al fine di creare strutture di confine tra i grani con disorientamenti ben definiti in funzione dei parametri di lavorazione, come alta pressione e velocità di riscaldamento. Dobbiamo comprendere se i confini tra i grani generati durante la sinterizzazione con plasma ad accensione differiscano da quelli prodotti mediante tecniche ceramiche tradizionali. Questo ci aiuterà quindi a generare nuovi materiali ceramici con proprietà senza precedenti.

Il principale vantaggio di questa tecnica consiste nel formare contorni di grano specifici con disorientamenti ben definiti, al fine di comprendere in modo sistematico la formazione della microstruttura durante la sinterizzazione con plasma attivato da scintilla. Per iniziare la preparazione del campione, utilizzare una sega a filo diamantato per tagliare pezzi di cinque millimetri per cinque millimetri di un cristallo singolo di titanato di stronzio, con una superficie del piano 1-0-0 lucidata a specchio. Pulire i campioni con un pulitore ad ultrasuoni in bagni di acetone, isopropanolo e metanolo per 15 minuti ciascuno a una frequenza di 50-60 hertz.

Riscaldare una piastra termica a 200 gradi Celsius durante la pulizia. Al termine della pulizia ad ultrasuoni in metanolo, posizionare immediatamente i campioni sulla piastra termica per farli asciugare. Corrodere i campioni in una soluzione di fluoruro di ammonio e acido fluoridrico al 49% in rapporto 6:1 per 10 minuti.

Risciacquare i campioni incisi prima con acqua deionizzata e poi con isopropanolo. Asciugare i campioni con aria secca filtrata. Scartare tutti i campioni su cui si è formata una patina iridescente sul lato otticamente piano.

Prima, posizionare un cerchio di 30 millimetri di diametro di carta di grafite su un punzone di grafite da 30 millimetri di diametro. Quindi, impilare due campioni di cristallo singolo di STO con le facce otticamente piane rivolte l'una verso l'altra al centro del punzone ricoperto di carta. Ruotare il cristallo singolo superiore attorno all'asse 1-0-0 fino all'angolo di disallineamento desiderato.

Fare scivolare con attenzione una matrice di grafite del diametro di 30 millimetri sopra i cristalli e il punzone. Inserire un altro cerchio di 30 millimetri di carta di grafite e punzone nella matrice, posizionandolo sopra la pila di cristalli. Posizionare l'insieme sul distanziatore di grafite inferiore dell'apparato SPS.

Quindi posizionare l'altro distanziale in grafite sulla sommità dell'insieme. Utilizzare i pulsanti di controllo dell'asse z per abbassare la punzonatura superiore ed applicare una forza uniaxiale di tre chilonewton all'insieme. Inserire una termocoppia di tipo K nel lato della matrice in grafite in modo da raggiungere il campione.

Impostare la pressione della camera a circa 10 Pascal. Quindi, sul controllo del programma dello strumento, impostare la temperatura di legame, il tempo e le velocità di riscaldamento per l'esperimento. Selezionare le condizioni di sinterizzazione con un impulso in corrente continua di 12 secondi acceso e 2 secondi spento, quindi avviare il programma di sinterizzazione.

Una volta terminato il programma, lasciare raffreddare il campione a 150 gradi Celsius. Trasferire il campione ridotto di colore grigio scuro in un forno ad alta temperatura. Ricotturare il campione a 1200 gradi Celsius per 140 ore in aria a pressione ambiente per ottenere il bicristallo ossidato di colore bianco sporco.

Utilizzare una sega a filo diamantato per tagliare il bicristallo in pezzi di cinque millimetri per un millimetro. Lucidare le sezioni trasversali con pellicole diamantate a granulometria decrescente fino a quando i graffi risultano uniformi alla granulometria più fine. Quindi eseguire una lucidatura delle sezioni trasversali per due minuti con silice colloidale versata continuamente e un panno opaco.

15 secondi prima della fine della lucidatura, passare dal versare silice colloidale all'aggiunta di acqua deionizzata sulla piastra. Sciacquare immediatamente il campione lucidato in acqua deionizzata per un minuto. Pulire il campione lucidato in bagni ad ultrasuoni consecutivi di acetone, isopropanolo e metanolo, per 15 minuti ciascuno.

Immediatamente dopo la pulizia, asciugare il campione su una piastra riscaldante a 200 gradi Celsius. Fondere il campione pulito con il lato lucidato rivolto verso l'alto su un supporto per campioni rivestito con grafite colloidale. Rivestire la superficie del campione mediante sputtering con due o tre nanometri di carbonio.

Prima, posizionare la griglia in rame con fascio ionico focalizzato in bagni consecutivi di pulizia ad ultrasuoni con acetone e isopropanolo per un'ora. Successivamente, pulire la griglia in rame al plasma per 10 minuti. Posizionare il campione di bicristallo STO e la griglia in rame pulita nell'apparato FIB con la piattaforma del campione impostata a sette millimetri.

Nel software dello strumento FIB, identificare una regione di interesse lungo il contorno del grano. Accedere al controllo del patterning e selezionare lo strumento di patterning rettangolare con l'applicazione superficiale CE per la deposizione di carbonio mediante fascio di elettroni. Inserire l'ago di iniezione del gas di carbonio e depositare uno strato protettivo di carbonio di 15 per due per due micrometri cubi sulla regione di interesse.

Quindi, ritrarre l'ago di iniezione. Tornare al controllo del patterning e selezionare lo strumento di patterning rettangolare con applicazione W dep per la deposizione tramite fascio ionico di tungsteno. Inserire l'ago di iniezione del gas al tungsteno e depositare uno strato protettivo di tungsteno con le stesse dimensioni sulla regione di interesse.

Ritrarre l'ago di iniezione. Nella configurazione del controllo di patterning, selezionare lo strumento per il patterning a sezione trasversale regolare con la proprietà applicativa al silicio. Eseguire la fresatura di una trincea di 22 per 27 per 15 micrometri cubi sopra l'area di interesse protetta e di una trincea di 22 per 25 per 15 micrometri cubi al di sotto dell'area di interesse.

Successivamente, nel controllo del patterning, utilizzare lo strumento per il patterning della sezione trasversale pulita in silicio per pulire la superficie della lamella scanalata. In seguito, utilizzare lo strumento per il patterning del rettangolo in silicio per tagliare un motivo a J largo due micrometri con rettangoli larghi due micrometri all'interno del campione. Passare alla finestra di dialogo di sollevamento facile e impostare il micromanipolatore sulla posizione di parcheggio.

Abbassare il micromanipolatore e saldare il campione alla sua punta mediante deposizione di tungsteno. Successivamente, estendere il pattern a forma di J in un pattern a forma di U. Sollevare la lamella dal campione principale e ruotare il micromanipolatore di 180 gradi in modo da posizionare il contorno del grano perpendicolarmente al fascio ionico.

Il tungsteno viene saldato con una lamella alla griglia di rame. Successivamente, staccare il micromanipolatore dalla lamella utilizzando lo strumento di modellatura rettangolare. Depositare uno strato di carbonio di 15 per due per quattro micrometri cubi e uno strato di tungsteno di 15 per due per otto micrometri cubi sull'area di interesse.

Successivamente, con il fascio ionico, assottigliare il campione fino a circa 200 nanometri utilizzando un modello di sezione trasversale di pulizia. Quindi, mediante un modello rettangolare, portare il campione alla trasparenza per gli elettroni. Rimuovere la griglia FIB in rame dall'apparato FIB e posizionare la griglia su un portacampione NanoMil.

Quindi posizionare il portacampioni nell'apparecchio NanoMil. Utilizzando il software dell'apparecchio NanoMil, effettuare la miliatura del campione a 500 elettronvolt per 10 minuti per rimuovere i danni amorfi causati dal FIB. Posizionare il campione TEM pulito in un portacampioni e inserire il campione e il portacampioni nel microscopio elettronico a trasmissione a scansione (STEM).

Nel software STEM, utilizzare lo strumento di acquisizione per ottenere un'immagine del confine del grano del campione. I bicristalli di titanato di stronzio sono stati ottenuti da coppie di cristalli singoli a diversi angoli di disorientamento mediante un apparato di sinterizzazione con plasma a scintilla. L'interfaccia è stata considerata legata in tutti i punti in cui il confine del grano non era osservabile nell'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM).

Le aree di contrasto scuro nelle immagini sono attribuibili a vuoti oppure alla diffusione di grafite colloidale tra i cristalli singoli. La frazione massima di interfaccia saldata è stata ottenuta con zero gradi di disorientamento, una temperatura di saldatura di 600 o 700 gradi Celsius, una durata di saldatura di 90 minuti e un tempo di ricottura di 100 ore. Aumentare l'angolo di disorientamento a circa 45 gradi ha richiesto una temperatura di saldatura più elevata e un tempo di ricottura più lungo per raggiungere un'interfaccia saldata del 45%.

La microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione e la microscopia elettronica a scansione con rivelazione di elettroni diffusi ad angolo elevato mostrano un confine di grano atomicamente netto, senza fasi secondarie osservate né film intergranulari. La spettroscopia di perdita di energia degli elettroni all'interfaccia ha evidenziato una riduzione della separazione del campo cristallino dei picchi L2 e L3 del titanio e una diminuzione dell'intensità del picco K dell'ossigeno rispetto al cristallo in massa, suggerendo una maggiore concentrazione di vacanze di ossigeno all'interfaccia. Seguendo lo stesso procedimento, possiamo inoltre formare confini di grano drogati utilizzando la sinterizzazione con scintille (SPS).

Questo ci aiuterà a valutare se il campo elettrico modificherà la segregazione ai bordi grano. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come formare bicristalli con strutture di interfaccia atomica brusca utilizzando la SPS. Non dimenticare che l'acido fluoridrico può essere estremamente pericoloso e che è necessario adottare precauzioni, come l'uso di dispositivi di protezione personale.