Um protocolo para a síntese e processamento de cerâmicas policristalinas de SrTiO3 dopadas de forma não uniforme com Pr é apresentado juntamente com a investigação de suas propriedades termoelétricas.
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Artigo de método
Um protocolo para a síntese e processamento de cerâmicas policristalinas de SrTiO3 dopadas de forma não uniforme com Pr é apresentado juntamente com a investigação de suas propriedades termoelétricas.
Demonstramos uma nova estratégia de síntese para a preparação de cerâmicas SrTiO3 dopadas com Pr por meio de uma combinação de técnicas de reação em estado sólido e sinterização por plasma de faísca. Cerâmicas policristalinas que possuem uma morfologia única podem ser alcançadas otimizando os parâmetros do processo, particularmente a taxa de aquecimento por sinterização por plasma de faísca. A fase e a morfologia das cerâmicas sintetizadas foram investigadas em detalhes usando difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de raios X por dispersão de energia. Observou-se que os grãos dessas cerâmicas SrTiO3 dopadas com Pr a granel foram aprimorados com contornos de grãos ricos em Pr. As propriedades eletrônicas e de transporte térmico também foram investigadas em função da temperatura e da concentração de dopagem. Descobriu-se que tal microestrutura deu origem a propriedades termoelétricas aprimoradas. Especificamente, resultou em uma melhoria significativa na mobilidade do transportador e no fator de potência termoelétrica. Simultaneamente, também levou a uma redução acentuada na condutividade térmica. Como resultado, uma melhoria significativa (> 30%) na figura de mérito termoelétrica foi alcançada para toda a faixa de temperatura em relação a todos os valores máximos relatados anteriormente para cerâmicas à base de SrTiO3. Esta síntese demonstra as etapas para a preparação de cerâmicas policristalinas a granel de SrTiO3 não uniformemente dopado com Pr.
Thermoelectrics óxido foram mostrados para ser candidatos promissores para aplicações termelétricas de alta temperatura, de estabilidade e de custo perspectivas para propriedades de transporte eletrônico. Entre as termelétricas de óxido do tipo n, altamente dopado titanato de estrôncio (STO) tem atraído muita atenção devido às suas intrigantes propriedades eletrônicas. No entanto, uma grande condutividade térmica total (κ ~ 12 W K -1 m -1 a 300 K para cristais individuais) 1 e uma baixa mobilidade do transportador (μ ~ 6 centímetros 2 V 1 s-1 a 300 K para cristais individuais) 1 afectar prejudicialmente o desempenho termoeléctrico que é avaliado por uma figura de mérito adimensional, ZT = α 2 σT / κ, onde α é o coeficiente de Seebeck, σ a condutividade eléctrica, T a temperatura absoluta em graus Kelvin, e κ a condutividade térmica total. Nós aqui definir o numerador como o fator de potência, PF = α 263; T. A fim de que este material termoeléctrico óxido de competir com outros thermoelectrics de alta temperatura (tais como ligas de SiGe), são requeridos um aumento mais pronunciado no factor de potência e / ou diminuição da condutividade térmica da estrutura.
A maioria dos estudos experimentais, a fim de melhorar as propriedades termoeléctricas de STO têm-se centrado principalmente na redução da condutividade térmica através estirpe de campo e espalhamento flutuação massa de fonões. Estas tentativas incluem: (i) simples ou duplas de doping do Sr 2+ e / ou Ti 4+ locais, como os principais esforços no que diz respeito a esta direção, 2,3 (ii) Síntese de superrede naturais estruturas Ruddlesden-Popper a fim de reduzir ainda mais a conductividade térmica através de camadas isolantes SRO, 4 e (iii) de engenharia composto por adição de uma segunda fase de nanoparticulado. 5 No entanto, até recentemente, nenhuma estratégia de reforço tem sido relatada a substantially aumentar o fator de energia termelétrica nestes óxidos. Os valores do fator de potência máxima registada (PF) em única massa e STO poli-cristalino foram confinados a um limite máximo de PF <1,0 W m -1 K -1.
Uma variedade de abordagens de síntese e técnicas de processamento têm sido utilizados para implementar as ideias tentativas acima. As rotas de síntese pó incluem reação de estado sólido convencional, 6 sol-gel, 7 hidrotermal, 8 e síntese de combustão, enquanto que 9 sinterização convencional, 6 prensagem a quente 10 e recentemente sinterização plasma faísca 12 estão entre as técnicas comuns usadas para densificar as pós em massa cerâmica. No entanto, para um dopante semelhante (por exemplo, La) e a concentração de dopante, os massa cerâmica resultantes exibem uma gama de propriedades de transporte electrónicos e térmicas. Isto é, em grande devido à química defeito fortemente dependente do processo de SrTiO 3, que resulta em propriedades dependentes de síntese. Há apenas um punhado de relatórios otimizando os parâmetros de síntese e processamento de beneficiar transporte termelétrica. Vale ressaltar que, devido ao muito pequeno phonon livre percurso médio em SrTiO 3 (l ph ~ 2 nm a 300 K), 11 nanoestruturação não é uma opção viável para a melhoria do desempenho TE de cerâmica grandes quantidades STO principalmente através da redução da condutividade térmica da estrutura.
Recentemente, nós relataram melhora mais de 30% na termelétrica figura de mérito em não uniforme Pr-dopados SrTiO 3 cerâmica provenientes de um fator de potência termelétrica reforçada simultaneamente e condutividade térmica reduzida 12,13. Neste protocolo de vídeo detalhado, apresentamos e discutir os passos de nossa estratégia de síntese para a preparação destes Pr-dopado cerâmica STO que exibem melhores propriedades electrónicas e termoeléctricos.
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1. Preparação de Pré-dopado SrTiO 3 Pó
2. Preparação de massa policristalino Pr-dopado SrTiO 3 Ceramic
3. Caracterização de eletrônicos e Transporte Thermal Ceramics Propriedades de massa
onde a água ρ é a densidade da água à temperatura de medição (por exemplo, igual a 1 g cm -3 a 300 K). 14
em que L representa a espessura do disco e t 1/2 representa a meia-altura da elevação máxima de temperatura do outro side da amostra.
Nota: O modelo de 15 Parker assume condições ideais de amostra adiabatic e aquecimento de pulso instantânea, outros modelos têm sido propostos ao longo dos anos, que representam várias perdas na medição, como as perdas de calor, duração de pulso finito, aquecimento de pulso não uniforme e não homogénea estruturas. Temos utilizado o modelo Cowan 16 com correção de pulso, que é um dos métodos mais avançados. Deve notar-se que, a fim de maximizar a quantidade de energia térmica transmitida a partir da superfície frontal e para maximizar o sinal observado pelo detector de IR, as superfícies das amostras deve ser altamente emissiva. Normalmente, isto requer a aplicação de uma fina camada de grafite para as superfícies das amostras. Uma incerteza de 2% -5% na medição da difusividade térmica existe, provenientes da determinação da dimensão. 17
Nota: devido à sensibilidade do método utilizado para a análise, conduzir três medições para determinar a capacidade de calor incluindo (1) uma medição de linha de base para subtrair o fundo, (2) a medição do calor específico de um material padrão (tais como safira) com um conhecido C P, e (3) medição do calor específico da amostra. Certifique-se de que as amostras são planas e, a fim de fazer um contacto ideal, com o fundo do cadinho de medição (panelas de Pt / Rh com Al 2 O 3 cadinhos utilizados neste trabalho) polido-espelho. Mais detalhes sobre a estrutura exacta da fase de DSC, uma comparação das técnicas de DSC para os outros, e instruções precisas para a medição de uma amostra pode ser encontrada em várias fontes 19.
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Padrões de difracção de raios-X foram recolhidos como para os pós preparados e as correspondentes massa cerâmica em função do conteúdo-Pr (Figura 1), a fim de estudar o efeito do Pr-dopagem na SrTiO 3 estrutura, a solubilidade do Pr em SrTiO 3 e a formação da fase secundária (s). Os padrões de confirmar a formação de SrTiO 3 fase em todos os pós preparados como onde as reflexões podem ser indexados para uma rede cúbica com grupo espacial (Figura 1A). A m...
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Neste protocolo, apresentamos os passos da estratégia de síntese, a fim de preparar com êxito policristalinos granel dopado-PR SrTiO 3 cerâmica apresentando melhores propriedades eletrônicas e termoelétricas. As principais etapas do protocolo incluem (i) a síntese em estado sólido do dopado SrTiO 3 em pó em ar sob pressão atmosférica e (ii) aproveitando as capacidades de técnica de sinterização plasma pulsado para densificar o pó preparado como em alta densidade de massa cerâmica e ao mesmo tempo p...
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Os autores não têm nada a divulgar.
Os autores desejam reconhecer a bolsa competitiva de colaboração iniciada pelo corpo docente (FIC) da KAUST.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| SrCO3 Pó, 99,9% | Sigma Aldrich | 472018 | |
| TiO2 Nanopowder, 99,5% | Sigma Aldrich | 718467 | |
| Pr2O3 Sintered Lumps, 99,9% | Alfa Aesar | 35663 | |
| Sinterização por plasma Spark | Dr. Sinter Lab | SPS-515S | |
| Sistema de Medição de Resistividade/Coeficiente Seebeck | Ulvac-Riko | ZEM-2 | |
| Sistema de Medição de Difusividade Térmica de Flash a Laser | Netzsch | LFA-457 Sistema de | |
| (DSC) | Netzsch | 404C Pegasus | |
| Design | Quântico | ||
| Microscópio Eletrônico de Varredura por Emissão de Campo (FE-SEM) | Hitachi | SU-6600 | |
| Espectroscopia de Raios-X por Dispersão Energética (EDS) | Difratômetro | ||
| Rigaku | Ultima IV | ||
| Revestidor de Bancada | Denton Mesa de Vácuo | II | |
| Diamond Serra | Tecnologia South Bay |
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