Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

توليف غير موحد العلاقات العامة مخدر SrTiO Published: August 15, 2015 doi: 10.3791/52869
Automatic Translation
1, 2, 3, 2, 4, 1,2
1Department of Materials Science and Engineering, Clemson University, 2Department of Physics and Astronomy, Clemson University, 3Electron Microscope Facility, Clemson University, 4Materials Science and Engineering, King Abdullah University of Science and Technology

Introduction

عرضت الكهرباء الحرارية أكسيد أن يكون مرشحا واعدا للتطبيقات الحرارية ارتفاع في درجة الحرارة، من الاستقرار والتكلفة وجهات نظر لخصائص النقل الإلكترونية. بين نوع ن الكهرباء الحرارية أكسيد، وقد اجتذب مخدر للغاية تيتانات السترونتيوم (STO) الكثير من الاهتمام نظرا لخصائصه الإلكترونية المثيرة للاهتمام. ومع ذلك، فإن مجموع التوصيل الحراري الكبير (κ ~ 12 W م -1 K -1 في 300 K للبلورات واحدة) 1 والتنقل منخفضة الناقل (μ ~ 6 سم 2 V -1 ثانية -1 في 300 K للبلورات واحدة) 1 تؤثر تأثيرا ضارا على الأداء الحرارية التي يتم تقييمها من قبل شخصية أبعاد الجدارة، ZT = α 2 σT / κ، حيث α هو معامل Seebeck، σ الموصلية الكهربائية، T درجة الحرارة المطلقة في كلفن، وκ مجموع التوصيل الحراري. نحدد هنا البسط كما معامل القدرة، PF = α 263؛ T. من أجل هذا أكسيد المواد الحرارية للتنافس مع غيرها من الأجهزة الكهربائية الحرارية إلى ارتفاع في درجة الحرارة (مثل سبائك SIGE)، يطلب زيادة أكثر وضوحا في معامل القدرة و / أو نقصان في التوصيل الحراري شعرية.

الغالبية العظمى من الدراسات التجريبية من أجل تحسين الخواص الحرارية من STO ركزت أساسا على الحد من التوصيل الحراري من خلال الضغط الميدان وتقلب كتلة تشتت الفونونات. وتشمل هذه المحاولات: (ط) مفرد أو مزدوج المنشطات للالأب 2+ و / أو تي 4+ المواقع، والجهود الرئيسية فيما يتعلق بهذا الاتجاه، 2،3 (ب) توليف الفائقة الطبيعية الهياكل Ruddlesden-بوبر من أجل مواصلة تقليل التوصيل الحراري من خلال العزل طبقات SRO و 4 و (ج) مركب الهندسية بإضافة مرحلة الثانية nanosized 5. ومع ذلك، حتى وقت قريب، لم يبلغ عن أي استراتيجية تعزيز لsubstantially زيادة عامل الطاقة الحرارية في هذه أكاسيد. قد اقتصرت على الإبلاغ عن معامل القدرة القصوى (PF) القيم في المفرد الأكبر وبولي البلورية STO إلى الحد الأعلى من PF <1.0 W م -1 K -1.

وقد استخدمت مجموعة متنوعة من النهج التوليف وتقنيات المعالجة لتنفيذ الأفكار حاول أعلاه. وتشمل طرق تركيب مسحوق رد فعل الحالة الصلبة التقليدية، 6 سول-جل، 7 المائية و 8 و الاحتراق التوليف، 9 في حين تلبد التقليدي، 6 الساخن إلحاحا 10 ومؤخرا شرارة البلازما تلبد 12 من بين التقنيات المستخدمة لتكثيف مساحيق إلى السيراميك السائبة. ومع ذلك، لإشابة مماثل (على سبيل المثال، لا) وتركيز المنشطات، والسيراميك السائبة الناتجة عن المعرض مجموعة من خصائص النقل الإلكترونية والحرارية. هذا هو في كبيرة بسبب الخلل الكيمياء بقوة تعتمد على عملية SrTiO <فرعية> 3 الذي ينتج في خصائص تعتمد على التوليف. لا يوجد سوى عدد قليل من التقارير الاستفادة المثلى من التوليف وتجهيز المعلمات للاستفادة النقل الحرارية. ومن الجدير بالذكر أنه نظرا إلى الطاقة الصوتية صغيرة جدا يعني المسار الحر في SrTiO 3 (ل فتاه ~ 2 نانومتر في 300 K)، 11 nanostructuring ليست خيارا قابلا للتطبيق من أجل تحسين أداء TE السيراميك STO الأكبر في المقام الأول من خلال الحد من التوصيل الحراري شعرية.

في الآونة الأخيرة، أبلغنا أكثر من 30٪ تحسن في الشكل الحرارية الجدارة في غير بشكل موحد العلاقات العامة مخدر SrTiO 3 السيراميك منشؤها من معامل القدرة الحرارية المعززة في وقت واحد وتقليل التوصيل الحراري. 12،13 في هذا البروتوكول الفيديو تفصيلا، ونحن تقديم و مناقشة الخطوات الاستراتيجية التوليف من أجل إعداد هذه العلاقات العامة مخدر السيراميك STO اظهار خصائص محسنة الإلكترونية والحرارية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. إعداد 3 مسحوق SrTiO العلاقات العامة مخدر

  1. من أجل إعداد 10 غرام من الأب البروفسور 0.95 0.05 تيو 3 مسحوق، تزن كميات متكافئة من SrCO 3 مسحوق (7.53407 جم)، تيو 2 nanopowder (4.28983 جم)، والعلاقات العامة 2 O 3 مقطوع متكلس (0.44299 جم) بعد رد الفعل ل x = 0.05:

المعادلة 1

  1. طحن وزنه العلاقات العامة 2 O 3 كتل متكلس إلى جزيئات دقيقة باستخدام هاون ومدقة العقيق.
  2. إضافة زنه SrCO 3 مسحوق وتيو 2 nanopowder إلى العلاقات العامة 2 O 3 ويستمر طحن وخلط باستخدام هاون ومدقة العقيق حتى يتم التوصل إلى مسحوق متجانس بصريا.
  3. تحميل مسحوق الأرض في وعاء زجاجي وباستخدام مزيج turbulator لمدة 30 دقيقة إلى التجانس عشرخليط ه.
  4. تحميل مسحوق مختلطة مما أدى إلى يموت الفولاذ المقاوم للصدأ تنظيفها بدقة ومصقول (1 بوصة في القطر) وساندويتش أنه بين اثنين الغطاسون الفولاذ المقاوم للصدأ.
  5. الصحافة الباردة مسحوق باستخدام الصحافة في ظل ما يقرب من 1 متري الحمولة طن.
  6. إخراج بيليه الباردة ضغط عن طريق وضع يموت على تجويف الفولاذ المقاوم للصدأ اسطوانة ودفع الغطاسون وبيليه خارج من أعلى باستخدام قضيب دفع. على طرد بيليه البرد ضغط (الجسم الأخضر) من يموت، وتنظيف أي تلوث على سطح كفافي من بيليه من خلال تغطية بلطف بيليه مع قطعة صغيرة من سكوتش الشريط وإزالة طبقة رقيقة من قبل تمزيق الشريط.
  7. وضع بيليه عموديا في زورق الألومينا مليئة شراؤها تجاريا SrTiO 3 مسحوق كما الحاجز بين قارب الألومينا وبيليه الصحافة الباردة.
  8. وضع القارب في فرن أنبوب، حرارة تصل إلى 1300 درجة مئوية في 3 ساعات والاحتفاظ بها في هذه الدرجة لمدة 15ساعة. السماح بيليه ليبرد لRT داخل الفرن عند تحميص هو أكثر. ويشار إلى هذه الخطوة على أنها "عملية التكليس" بعد ذلك.
  9. طحن بيليه باستخدام هاون ومدقة العقيق وتحميل مسحوق الناتج في وعاء زجاجي لمزيد من الخلط باستخدام turbulator.
  10. تحميل مسحوق في قالب الفولاذ المقاوم للصدأ والبرد ضغط في ظل ما يقرب من 3 طن متري من الحمولة.
  11. كرر الخطوة 1.9 مرة أكثر واحدة في 1400 درجة مئوية في 3 ساعات والاحتفاظ بها في هذه الدرجة لمدة 20 ساعة.
  12. طحن بيليه باستخدام هاون ومدقة العقيق.
  13. كرر الخطوات من 1.11، 1.12، 1.13 واحد مزيد من الوقت للتفاعل الحالة الصلبة للوصول إلى الإنجاز.

2. إعداد السائبة الكريستالات العلاقات العامة مخدر SrTiO 3 السيراميك

  1. تزن 1.6 غرام من مسحوق كما التحضير (لقرص 2 مم و 12.7 مم في القطر).
  2. إعداد قطع graphoil دائرية لتغطية الأسواق العالمية ضغطها أعلى وأسفلrface من تقع مسحوق الجرافيت والغطاسون في الجرافيت يموت. أيضا، وإعداد قطعة graphoil مستطيل آخر لتغطية الجدار الداخلي لليموت الجرافيت.
  3. تحميل مسحوق كما معدة إعدادا إلى يموت الجرافيت (12.7 ملم في القطر الداخلي) وساندويتش مسحوق الجرافيت بين اثنين من الغطاسون من نفس الحجم. حفر 2 ملم حفرة في منتصف طول يموت الجرافيت ومن السطح الخارجي للموت إلى حوالي 2 ملم من السطح الداخلي للقراءة درجة الحرارة.
    ملاحظة: ضبط طول الغطاسون الجرافيت المتبقية خارج يموت ووضع مركز الاسطوانة مسحوق تقع حيث يتم وضع حفرة للحصول على قراءة دقيقة لدرجات الحرارة. وجوه الغطاسون الجرافيت بحاجة إلى تعادل بدقة خلال بالقطع من القطع. أي اختلال قد يؤدي إلى تشقق بيليه متكلس خلال تلبد شرارة البلازما.
  4. الصحافة الباردة المسحوق بلطف (تحميل <200 كلغ) باستخدام الصحافة قبل المتزايدة على الشرارةالبلازما لوحة تلبد داخل الغرفة. استخدام مصقول مسطحة لوحات دعم الفولاذ المقاوم للصدأ بين أعلى وأسفل الغطاسون والمرحلة الصحافة لتجنب إتلاف الغطاسون الجرافيت.
  5. لف قطعة من الجرافيت ورأى حول يموت للعزل وثبته مع غزل الجرافيت. وضع نافذة على الجرافيت الذي يشعر به قطع قطعة مستطيلة من شعر حيث يتم وضع ثقب قراءة درجة الحرارة على الموت.
  6. ضع يموت الجرافيت تحميل والغطاسون في غرفة تلبد شرارة البلازما. نقل المرحلة إلى موقف نهائي.
  7. التركيز ومحاذاة دائرة الهدف البيرومتر على الفتحة قراءة درجة حرارة يموت. تأكد من تعيين الإعداد الابتعاثية من البيرومتر لالجرافيت.
  8. إغلاق الغرفة ووضع 7.7 كيلو نيوتن الحمل (حوالي 60 ميجا باسكال) على عينة. فراغ وتطهير الغرفة مع هارون ثلاث مرات ويخرج من الحجرة في ظل فراغ ديناميكية من 6 بنسلفانيا.
  9. زيادة درجة الحرارة عن طريق زيادة التيار (يدويا أو باستخدامالبرنامج). استخدام 250 ألف دقيقة -1 (المقابلة إلى ما يقرب من 300-400 درجة مئوية دقيقة -1) لعينات الأمثل. هذه هي الخطوة الأكثر أهمية في عملية التكلس شرارة البلازما.
  10. الحفاظ على درجة الحرارة في 1500 درجة مئوية لمدة 5 دقائق عن طريق ضبط الحالية يدويا أو باستخدام البرنامج. في نهاية فترة عقد 5 دقائق، قطع التيار قبالة وبسرعة الافراج عن الحمل كيلو نيوتن 7.7 لتجنب تكسير العينة خلال تهدئة. السماح للعينة بارد لRT داخل الغرفة.
  11. الافراج عن بيليه الجزء الأكبر من الجرافيت يموت بلطف باستخدام الصحافة الباردة. ويتم ذلك عن طريق وضع يموت الجرافيت على اسطوانة الصلب تجويف وإخراج بيليه والغطاسون الجرافيت باستخدام الصلب دفع قضيب من أعلى.
  12. إزالة graphoil على وجوه العلوية والسفلية من بيليه وكذلك سطح كفافي باستخدام شفرة حلاقة حادة.
  13. تلميع العينة باستخدام الرمل ورقة الخام (400 الشبكة) إلى أسفل ل0،3-0،5 مم من كل جانب لضمانالإزالة الكاملة للgraphoil. تنظيف العينة مع الأسيتون.

3. توصيف الالكترونية والنقل الحراري خصائص سيراميك السائبة

  1. تحديد كثافة القرص السيراميك، ρ، وذلك باستخدام طريقة أرخميدس.
  2. قياس وزن العينة، W الجافة، ثم وزن العينة مغمورة في الماء، W الرطب، وعلى نظام قياس كثافة استقرت وحساب كثافة أرخميدس من

المعادلة 2

حيث المياه ρ هي كثافة من الماء في درجة حرارة القياس (على سبيل المثال، يساوي 1 سم ز -3 في 300 K) (14).

  1. قياس انتشارية الحراري للعينة، د، وذلك باستخدام تقنية الليزر عابرة فلاش تحت دقيقة -1 تدفق 75 مل من Ar. قياس سمكمن العينة، L، بدقة أولا باستخدام ميكرومتر الرقمية.
    ملاحظة: عينات بالتوازي الوجه مع مختلف الأحجام والأشكال (على سبيل المثال، أقراص مستديرة 12.7 مم في القطر أو مربع 10 × 10 مم 2 الأقراص) وسمك بين 0.5 و 5 مم يمكن قياسها بسهولة.
    1. في ليزر فلاش تقنية انتشارية الحراري، وأشرق وجه واحد من العينة قصيرة (~ 1 ميللي ثانية) نبضة ليزر وتسجيل ارتفاع درجة الحرارة على الوجه المعاكس للكشف عن الأشعة تحت الحمراء. ثم حساب انتشارية الحراري بواسطة واجهة البرنامج ليزر فلاش من سمك العينة والبيانات الشخصية درجة الحرارة ارتفاع الوقت باستخدام معادلة باركر 15

المعادلة 3

حيث L هو سمك القرص ور 02/01 والوقت غير الشقيق لارتفاع درجات الحرارة القصوى من الآخر الصورةبيئة تطوير متكاملة من العينة.

ملاحظة: النموذج باركر 15 يفترض الظروف المثالية من عينة ثابت الحرارة والتدفئة نبض حظية، وقد تم اقتراح نماذج أخرى على مر السنين، والتي تمثل الخسائر المختلفة في قياس مثل خسائر الحرارة، محدود مدة النبضة، غير موحدة التدفئة النبض وnonhomogeneous الهياكل. وقد استخدمنا نموذج كوان 16 مع تصحيح النبض التي تعد واحدة من الطرق الأكثر تقدما. وتجدر الإشارة إلى أنه من أجل تحقيق أقصى قدر من كمية الطاقة الحرارية التي تنتقل من السطح الأمامي وتعظيم إشارة لوحظ من قبل كاشف الأشعة تحت الحمراء، ويجب أن تكون العينة السطوح كثيف الانبعاثات. عادة هذا يتطلب تطبيق طبقة رقيقة من الجرافيت إلى عينة السطوح. حالة من عدم اليقين من 2٪ -5٪ في قياس انتشارية الحراري موجودا، الناشئة عن تحديد البعد. 17

  1. قطع بيليه القرص باستخدام منشار الماس في الحانات مستطيلة، 2 × 2 × 10مم 3، والموصلية الكهربائية وقياسات معامل Seebeck وكذلك قرص مربع، 4 × 4 × 1.5 مم 3 للحرارة محددة درجات الحرارة العالية وقطعة مستطيلة رقيقة، 8 × 5 × 1 مم 3 لقياسات القاعة.
  2. قياس الحرارة النوعية، C ع، من العينة على قطعة مربعة شقة ومرآة مصقولة (4 × 4 × 1.5 مم 3) باستخدام الكالوري المسح التفاضلي (DSC) في إطار تدفق الأرجون 18
    1. استخدام معدل التسخين من 5 K دقيقة -1 يصل إلى 40 ° C لعقد متساوي الحرارة لمدة 10 دقيقة للسماح العينة للوصول إلى التوازن الحراري تليها 20 K سعر دقيقة -1 التدفئة تصل إلى 500 درجة مئوية، مع معدل التبريد المحدد التي تليها. إجراء القياس في ظل تدفق الأرجون (50 مل دقيقة -1 هو مقترح).

ملاحظة: نظرا لحساسية الطريقة المستخدمة للتحليل، وإجراء ثلاثة قياسات لتحديد السعة الحرارية بما في ذلك (1) قياس خط الأساس لطرح الخلفية، (2) قياس الحرارة النوعية للمادة القياسية (مثل الياقوت) مع C P معروفة، و (3) قياس الحرارة النوعية للعينة. تأكد من أن عينات مسطحة وبغية إجراء اتصال المثالي مع الجزء السفلي من بوتقة القياس (المقالي حزب العمال / ره مع آل 2 O 3 بوتقة المستخدمة في هذا العمل) مصقول مرآة. مزيد من التفاصيل حول الهيكل الدقيق للمرحلة DSC، مقارنة بين تقنيات DSC للآخرين، وتعليمات دقيقة لقياس عينة يمكن العثور عليها في مصادر مختلفة. 19

  1. حساب التوصيل الحراري وارتفاع درجة الحرارة، κ، من عينة من القيم المقاسة من انتشارية الحراري، د، الحرارة النوعية، C P، والكثافة، ρ باستخدام 20

/52869/52869eq4.JPG "العرض =" 200 "/>

  1. لوحة من الذهب النقاط تحقيقات الاتصال (4 الأسماء) على قطعة 2 × 2 × 10 مم 3 قطع من العينة للتخفيف من القضايا المقاومة للإتصال به.
    1. من أجل تفل الذهب فقط على مناطق التماس المطلوب، لف الشريط سكوتش حول عينة 2 × 2 × 10 مم 3 لاستخدامه كقاعدة الاستنسل. مغادرة 2 × 2 مم 2 وجوه مغطاة الأمم المتحدة. باستخدام شفرة حلاقة، قطع 2 ثقوب صغيرة جدا (حوالي 1 ملم في القطر) في منتصف الوجه 2 × 10 مم 2 على طول خط يفصل بينهما مسافة تحقيقات.
    2. تفل فيلم الذهب ~ 200 نانومتر سميكة باستخدام مقعد بين كبار حدة الاخرق الذهب 21
  2. قياس خصائص النقل الكهربائية، وهي الموصلية الكهربائية ومعامل Seebeck) من العينة كدالة لدرجة الحرارة 22،23.
    1. قياس الموصلية الكهربائية باستخدام طريقة أربع سنوات المحطة. قياس معامل Seebeck على سامإعداد البريد باستخدام قياسات درجة الحرارة والجهد عن طريق اثنين الحرارية "تحقيقات" الوسطى. قياس المسافة بين هذه التحقيقات اثنين باستخدام المجهر الرقمي. مزيد من التفاصيل حول القياسات النقل الكهربائية يمكن العثور في أي مكان آخر. 22،23
  3. قياس تركيز الناقل قاعة بوصفها وظيفة من درجة الحرارة على 8 × 5 × 1 مم 3 العينة باستخدام الخصائص الفيزيائية نظام القياس. 24

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم جمع الحيود الأشعة السينية أنماط مساحيق كما معدة والسيراميك السائبة المقابلة بوصفها وظيفة العلاقات العامة المحتوى (الشكل 1) من أجل دراسة تأثير العلاقات العامة المنشطات على SrTiO 3 شعرية، ذوبان العلاقات العامة في SrTiO 3 وتشكيل المرحلة الثانوية (ق). أنماط تؤكد تشكيل SrTiO 3 المرحلة في كل مساحيق كما معدة حيث يمكن فهرسة انعكاسات إلى شعرية مكعب مع المجموعة الفراغية (الشكل 1A). التغيير رتيب في المعلمة شعرية المفهرسة من = 3.906 ل x = 0 (undoped) مع زيادة محتوى العلاقات العامة يؤكد تشويه شعرية عند التأسيس من أصغر العلاقات العامة 3+ الأيونات في مواقع استرنشيوم 2+. وقد لوحظت انعكاسات ضعيفة أيضا ل x> 0،05، المقابلة لمرحلة أكسيد براسيوديميوم المتوسط ​​(على سبيل المثال، العلاقات العامة 5 O 9)، مما يزيد شدة مع زيادة تركيز العلاقات العامة الاسمي ( (الشكل 1C، D).

وقد أجريت دراسة العلاقة تركيب هيكل الملكية من أجل فهم تأثير معدل التسخين SPS والمرحلة الثانوية لوحظ على خصائص النقل الإلكترونية. تم الحصول على مسح الميكروسكوب الإلكتروني بالتزامن مع المشتتة للطاقة أطياف الأشعة السينية لدراسة تأثير التوليف والتكثيف المعلمات، وخاصة شرارة معدل التسخين تلبد البلازما، وعلى التشكل والكيمياء من الحبوب وحدود الحبوب (الشكل 2). تم التحقيق Synthesis- العلاقة (الصغرى) هيكل الملكية من خلال رصد درجة الحرارة اعتماد خصائص النقل إلكترونية من السيراميك السائبة (الشكل 2). فقد وجد أن التوصيل الكهربائي يمكن أن يكون significanزيادة TLY من خلال تعظيم الاستفادة من معدل التسخين SPS (الشكل 2A). ويعزى هذا التحسن إلى تعزيز ملحوظ في التنقل الناقل منذ تم الحصول عليها مماثل معامل Seebeck والناقل قيم تركيز لعينات مكثف تحت معدلات التدفئة المختلفة (الشكل 2A، أقحم). وقد أظهرت الميكروسكوب الإلكتروني الماسح أن المرحلة الثانوية البروفسور الغنية موجودة في استعداد على شكل مسحوق (الشكل 2B، أقحم) يمكن المخدر جزئيا منطقة الحدود الحبوب أثناء عملية SPS (الشكل 2B). من جانب الأمثل المناسب من معدل التسخين SPS، ومنطقة الحدود الحبوب يمكن مخدر بشكل كامل مع العلاقات العامة، وفي هذه الحالة لوحظ حدوث زيادة في التنقل الناقل (الشكل 2C).

تم قياس 1 بوصفها وظيفة س - خصائص النقل الإلكترونية والحرارية للسيراميك السائبة أعدت مع ارتفاع معدل التسخين SPS 300 ° C دقيقةو درجة الحرارة والمحتوى العلاقات العامة من أجل حساب الرقم الحرارية الشامل الجدارة (الشكل 3). جميع العينات يحمل سلوك شبه موصلة المنحطة (أي المعدنية مثل) عن التوصيل الكهربائي (الشكل 3A) والمقابلة مثل ناشر-thermopower (الشكل 3B). كبير معامل القدرة الحرارية> 1 W م -1 K -1 لوحظ للسيراميك مع x> 0.075 في درجة حرارة تتراوح اسعة تصل إلى حد أقصى قدره 1.3 W م -1 K -1 ل x = 0.15، الموافق 3٪ في العلاقات العامة ( الشكل 3C). في الوقت نفسه، لوحظ وجود انخفاض رتيب في التوصيل الحراري مع زيادة العلاقات العامة يصل إلى x = 0.15 (الشكل 3D). تم العثور على تركيز العلاقات العامة الاسمي الأمثل أن تكون س = 0.15 لهذه العينات. 13 تحسن أكثر من 30٪ في الشكل الحرارية أبعاد الجدارة (ZT) لدرجة حرارة تتراوح كامل على كل ما قيل سابقا موتحققت القيم aximum نتيجة لتعزيز المتزامن في معامل الطاقة الحرارية وانخفاض في التوصيل الحراري (الشكل 3E). تم الحصول على 13 الحد الأقصى ZT قيمة 0،35 في 500 ° C. إذا القياسات هي التي يتعين القيام بها في ظل جو الحد للغاية، ومن المتوقع القيم ZT قصوى تزيد على 0.6 في 1000 ° C عن طريق تركيب البيانات النقل الإلكترونية والحرارية التجريبية. إمكانية زيادة تحسين معامل القدرة في درجات الحرارة هذه، وبالتالي أيضا وجود ZT إذا كان تركيز الناقل يمكن أيضا زيادة. 30

الشكل 1
الشكل 1. الأشعة السينية لمحات حيود (A) حيود الأشعة السينية (XRD) لمحات من الأب 1 - س س العلاقات العامة تيو 3 - مساحيق δ قبل SPSبوصفها وظيفة من المحتويات البروفسور رمزي. (B) عرض مكبر للمستطيل متقطع في (أ) و (C) لمحات XRD ريال 1 - س س العلاقات العامة تيو 3 - δ مع x = 0.075 قبل SPS (مسحوق) وبعد ارتفاع معدل التسخين SPS (سيراميك السائبة ). يتم عرض الصور من مسحوق الباردة ضغط بعد رد فعل الحالة الصلبة والسيراميك SPSed المقابلة. (D) عرض مكبر للمستطيل متقطع في (C). أعيد طبعها بإذن. 12. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 2
الشكل 2. تأثير معدل التسخين SPS. (A) درجة الحرارة اعتماد التوصيل الكهربائي وSeebeck معامل (الشكل) لريال 1 - س س العلاقات العامة تيو 3 - السيراميك δ مع x = 0.075 معالجتها باستخدام اثنين من مختلف معدلات SPS التدفئة من 100 ° C دقيقة - 1 و 300 ° C دقيقة - 1 على التوالي. (B) الإلكترون المنتثرة (جنون البقر) صورة مجهرية من السيراميك المحرز في إطار 100 ° C دقيقة - 1 SPS. ويرد الطيف العلاقات العامة نموذجية من الفحص خط EDS عبر الجسيمات ذ محترفين. (C) صورة مجهرية الإلكترون الأشعة المرتدة من السيراميك المعينة بموجب ° C دقيقة 300 - 1 SPS معدل التسخين. A الطيف العلاقات العامة نموذجية من خط EDS مسح عبر اثنين من الحبوب، والحبوب والحبوب 1 2، يتم عرض. وأقحم يصور صورة مجهرية مرض جنون البقر من الأب 0.95 لا 0.05 تيو 3 السيراميك أعدت وفقا لنفس الوصفة. أعيد طبعها بإذن 12 pload / 52869 / 52869fig2highres.jpg "الهدف =" _ فارغة "> اضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. الخصائص الحرارية النقل. درجة الحرارة اعتماد (A) التوصيل الكهربائي (σ)، (B) Seebeck معامل (α)، (C) معامل القدرة (كما هو موضح PF = α2σT)، (D) مجموع الموصلية الحرارية و(E ) الرقم من الجدارة، ZT لريال 1 - س س العلاقات العامة تيو 3 - δ السيراميك بوصفها وظيفة من المحتويات العلاقات العامة. يتم عرض درجة الحرارة اعتماد القيم المسجلة ZT القصوى في الأدب للمقارنة. 2،25-28 مستنسخة بإذن 12،13._blank "> اضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في هذا البروتوكول، قدمناه الخطوات الاستراتيجية التوليف من أجل إعداد بنجاح الكريستالات السائبة مخدر العلاقات العامة SrTiO 3 السيراميك واظهار خصائص محسنة الإلكترونية والحرارية. وتشمل الخطوات الرئيسية للبروتوكول (ط) تركيب الحالة الصلبة من مخدر SrTiO 3 مسحوق في الهواء تحت الضغط الجوي و (ب) الاستفادة من قدرات تقنية تلبد شرارة البلازما لتكثيف مسحوق كما معدة إعدادا إلى عالية كثافة السيراميك السائبة، وفي الوقت نفسه لزيادة المخدر حدود الحبوب من العينة مع العلاقات العامة. وقد تبين أن من خلال تطبيق ارتفاع معدل التدفئة SPS (300-400 ° C دقيقة -1) انعكاسات في أنماط حيود الأشعة السينية المقابلة للمرحلة الثانوية (ق) هي اختفت بالكامل (الشكل 1C، D). معدل التسخين عالية هي واحدة من الاختلافات الرئيسية لهذه الاستراتيجية التوليف مع تقارير سابقة في الأدب. 17 كاملةإدراج مواد إشابة العلاقات العامة في المواقع ريال سعودي، والتي تؤدي إلى قيم تركيز الناقل قياس المقابلة لتعاطي المنشطات الاسمي القيم 12، هو واحد من الإنجازات الرئيسية لهذه الاستراتيجية التوليف. ونتيجة لذلك، لوحظ قيم تركيز أعلى الناقل للعينات التي أعدت في هذا العمل مقارنة مع القيم التي أعلن عنها في الأدب لعينات إعدادها باستخدام أساليب أخرى مع تركيزات المنشطات الاسمية نفسها. الاستفادة من الجو تقليل درجة عالية من غرفة تلبد شرارة البلازما (الجرافيت يموت تحت فراغ الحيوي وارتفاع معدل التسخين) للحد من مسحوق أكسيد من أجل خلق الوظائف الشاغرة الأوكسجين كمصدر آخر من المنشطات الإلكترون كما يميز هذا البروتوكول من العينات التي تم الإبلاغ عنها في الأدب أعدت تحت هارون 29 أو تشكيل الغاز (5-10٪ H في عار) 29 الاجواء.

وعلاوة على ذلك، لوحظ أن من خلال تطبيق ارتفاع معدل التدفئة SPS، المراحل الثانوية، والتي هي في المقام الأولأكسيد براسيوديميوم، يمكن مخدر محليا مناطق الحدود الحبوب. أدت هذه المنشطات غير موحدة للعينات السيراميك في مراقبة حدوث تحسن ملحوظ غير متوقع في التنقل الناقل، معامل القدرة الحرارية فضلا عن انخفاض كبير في إجمالي التوصيل الحراري. وتشير البيانات التجريبية أن تعزيز الملحوظ يرتبط إلى المجهرية الفريدة من السيراميك ووجود المناطق الحدودية العلاقات العامة الغنية. لم تراع هذه الحدود لSrTiO 3 السيراميك مخدر مع مواد إشابة أخرى مثل لوس انجليس (الشكل 2C، أقحم) أو أعدت مع طرق تركيب الأخرى التي أعلن عنها في الأدب. دراسة نظرية حديثة أجراها داوسون وتاناكا محاولات لتفسير هذه الملاحظة (أي، لماذا العلاقات العامة المنشطات يدفع تشكيل النواة قذيفة و لا المنشطات لا) من خلال التحقيق في هيكل المحلية و طاقة من العلاقات العامة ولوس انجليس لمخدر SrTiO 3 حدود الحبوب وتظهر 30 حساباتهم على الصورة البعيدةمصلحة حيوية tronger للعلاقات العامة المنشطات من حدود الحبوب من لا المنشطات. منذ النتائج النقل الإلكترونية لا يمكن تفسيرها من خلال نظرية المتوسطة فعالة، 12 ويعتقد أن آلية نقل المسؤول ومن المرجح أن تشارك في تحسين التنقل الناقل.

النتائج تثبت أن استراتيجية يمكن تطبيقها كوسيلة لتجميع هياكل المركب خارج الموقع وخاصة من نوع بنية الأساسية قذيفة. ومع ذلك، فإن فعالية المنشطات غير موحدة تعتمد على طبيعة المراحل المكونة للمركب. يقتصر هذا الأسلوب من قبل نقطة ذوبان المراحل الحالية في هذه المادة. أسعار التدفئة عالية من 300-400 درجة مئوية دقيقة -1 يمكن أن تذوب محليا المواد تحت ضغط الميكانيكي وإما كسر عينة أو تغيير الخصائص. لذلك، هذا البروتوكول هو استراتيجية التوليف جيدة لتنفيذها لأكاسيد أخرى بسبب استقرارها درجات حرارة عالية. وينبغي أن يكون الحذر exercISED عند تطبيق طريقة لمواد الحرارية الأخرى. شروط شرارة تقنية تلبد البلازما تحتاج إلى أن يكون الأمثل قبل تطبيق استراتيجية لنظم غيرها من المواد. وتجدر الإشارة إلى أنه نظرا لمعدلات التدفئة عالية تطبيقها، ومن المتوقع نمو كبير الحبوب إذا تم توظيف جزء التكثيف من البروتوكول على مساحيق nanosctructured.

العمل المستقبلي لتعديل البروتوكول الحالي من أجل زيادة تحسين الخواص الحرارية سوف تركز على التحسين في وقت واحد من تأثير الحمل الميكانيكي (60 ميجا باسكال في هذا البروتوكول)، وSPS درجة الحرارة تمرغ، وتمرغ الوقت لمواصلة تقليل التوصيل الحراري وتحسين معامل القدرة، وتحسين نسبة نجاح إعداد العينات خالية من الكراك.

في الختام، لقد أثبت النهج التوليف لإعداد الكريستالات السائبة مخدر العلاقات العامة SrTiO 3 السيراميك مع البروفسور الغنية boundarie الحبوبق اظهار تحسن كبير في الخصائص الإلكترونية والحرارية. استراتيجية التوليف المستخدمة في هذا العمل قد فتح آفاقا وفرصا جديدة لخصائص وتطبيقات هذا perovskite وظيفية على نطاق واسع حيث هو المطلوب أعلى التنقل الناقل الأخرى. وعلاوة على ذلك، والهندسة حدود الحبوب باستخدام تلبد شرارة البلازما أظهر في هذا العمل يمكن تنفيذها في المواد أكسيد أخرى لتعديل الخصائص الفيزيائية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
SrCO3 Powder, 99.9% Sigma Aldrich 472018
TiO2 Nanopowder, 99.5% Sigma Aldrich 718467
Pr2O3 Sintered Lumps, 99.9% Alfa Aesar 35663 
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ohta, S., Nomura, T., Ohta, H., Koumoto, K. High-temperature Carrier Transport and Thermoelectric Properties of Heavily La-or Nb-doped SrTiO3 Single Crystals. J. Appl. Phys. 97, (2005).
  2. Wang, H. C., et al. Enhancement of Thermoelectric Figure of Merit by Doping Dy in La0.1Sr0.9TiO3 Ceramic. Mater. Res. Bull. 45, 809-812 (2010).
  3. Bhattacharya, S., Mehdizadeh Dehkordi, A., Alshareef, H. N., Tritt, T. M. Synthesis–Property Relationship in Thermoelectric Sr1−xYbxTiO3−δ Ceramics. J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 385302 (2014).
  4. Wang, Y., Lee, K. H., Ohta, H., Koumoto, K. Thermoelectric Properties of Electron Doped SrO(SrTiO3)n (n=1,2) Ceramics. J. Appl. Phys. 105, 1037011-1037016 (2009).
  5. Wang, N., et al. Effects of YSZ Additions on Thermoelectric Properties of Nb-Doped Strontium Titanate. J. Electron. Mater. 39, 1777-1781 (2010).
  6. Muta, H., Kurosaki, K., Yamanaka, S. Thermoelectric Properties of Rare Earth Doped SrTiO3. J. Alloys Compd. 350, 292-295 (2003).
  7. Shang, P. -P., Zhang, B. -P., Li, J. -F., Ma, N. Effect of Sintering Temperature on Thermoelectric Properties of La-doped SrTiO3 Ceramics Prepared by Sol-gel Process and Spark Plasma Sintering. Solid State Sciences. 12, 1341-1346 (2010).
  8. Wang, Y., Fan, H. J. Sr1-xLaxTiO3 Nanoparticles: Synthesis, Characterization and Enhanced Thermoelectric Response. Scripta Materialia. 65, 190-193 (2011).
  9. Kikuchi, A., Okinakab, N., Akiyama, T. A Large Thermoelectric Figure of Merit of La-doped SrTiO3 Prepared by Combustion Synthesis with Post-Spark Plasma Sintering. Scripta Materialia. 63, 407-410 (2010).
  10. Obara, H., et al. Thermoelectric Properties of Y-Doped Polycrystalline SrTiO3.Jpn. J. Appl. Phys. 43, L540-L542 (2004).
  11. Koumoto, K., Wang, Y., Zhang, R., Kosuga, A., Funahashi, R. Oxide Thermoelectric Materials: A Nanostructuring Approach. Annu. Rev. Mater. Res. 40, 363-394 (2010).
  12. Mehdizadeh Dehkordi, A., et al. Large Thermoelectric Power Factor in Pr-Doped SrTiO3−δ Ceramics via Grain-Boundary-Induced Mobility Enhancement. Chem. Mater. 26, 2478-2485 (2014).
  13. Mehdizadeh Dehkordi, A., Bhattacharya, S., He, J., Alshareef, H. N., Tritt, T. M. Significant Enhancement in Thermoelectric Properties of Polycrystalline Pr-doped SrTiO3 Ceramics Originating from Nonuniform distribution of Pr dopants. Appl. Phys. Lett. 104, 1939021-1939024 (2014).
  14. Standard Test Methods for Density of Compacted or Sintered Powder Metallurgy (PM) Products Using Archimedes’ Principle. , ASTM International. West Conshohocken, PA. Available from: http://www.astm.org (2015).
  15. Parker, W. J., Jenkins, R. J., Butler, C. P., Abbott, G. L. Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity and Thermal Conductivity. J. Appl. Phys. 32, 1679-1684 (1961).
  16. Cowan, R. D. Pulse Method of Measuring Thermal Diffusivity at High Temperatures. J. Appl. Phys. 34, 926-927 (1963).
  17. Mehdizadeh-Dehkordi, A. An Experimental Investigation Towards Improvement of Thermoelectric Properties of Strontium Titanate Ceramics. , Available from: http://tigerprints.clemson.edu/all_dissertations/1333 (2014).
  18. DSC Pegasus 404C Operating Manual. , Netzsch GmbH. Selb, Germany. (1999).
  19. Daw, J. E. Measurement of Specific Heat Capacity Using Differential Scanning Calorimeter. Report of US Department of Energy. , Idaho National Laboratory. (2008).
  20. Tritt, T. M. Thermal Conductivity: Theory, Properties and Applications. , Kluwer Academic. (2004).
  21. SC7610 Sputter Coater Operating Manual. , Quorum Technologies Ltd. East Sussex, England. Available from: http://www.quorumtech.com/pdf/productOperatingManuals/SC7610_Operating_Manual.pdf (2002).
  22. Tritt, T. M. Electrical and Thermal Transport Measurement Techniques for Evaluation of the figure-of-Merit of Bulk Thermoelectric Materials. Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano. Rowe, D. M. , CRC Press. Boca Raton. 23-1-23-17 (2006).
  23. Burkov, A. T. Measurements of Resistivity and Thermopower: Principles and Practical Realization. Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano. Rowe, D. M. , CRC press. Boca Raton. 22-1 (2006).
  24. Physical Property Measurement System: AC Transport Option User’s Manual. , Quantum Design. San Diego, USA. Available from: http://www.mrl.ucsb.edu/sites/default/files/mrl_docs/instruments/manPPMS.pdf (2003).
  25. Ohta, S., Ohta, H. Grain Size Dependence of Thermoelectric Performance of Nb-doped SrTiO3. Polycrystals. J. Ceram. Soc. Jpn. 114, 102 (2006).
  26. Wang, N., He, H., Ba, Y., Wan, C., Koumoto, K. Thermoelectric Properties of Nb-doped SrTiO3 Ceramics Enhanced by Potassium Titanate Nanowires Addition. J. Ceram. Soc. Jpn. 118, 1098 (2010).
  27. Ohta, S., et al. Large Thermoelectric Performance of Heavily Nb-doped SrTiO3 Epitaxial Film at High Temperature. Appl. Phys. Lett. 87, 092108 (2005).
  28. Kovalevsky, A., Yaremchenko, A., Populoh, S., Weidenkaff, A., Frade, J. Enhancement of Thermoelectric Performance in Strontium Titanate by Praseodymium Substitution. J. Appl. Phys. 113, 053704 (2013).
  29. Kovalevsky, A. V., et al. Towards a High Thermoelectric Performance in Rare-Earth Substituted SrTiO3: Effects Provided by Strongly-Reducing Sintering Conditions. Phys. Chem. 16, 26946 (2014).
  30. Dawson, J. A., Tanaka, I. Local Structure and Energetics of Pr- and La-Doped SrTiO3 Grain Boundaries and the Influence on Core–Shell Structure Formation. J. Phys. Chem. C. 118, 25765-25778 (2014).
  31. Mehdizadeh Dehkordi, A., et al. New Insights on the Synthesis and Electronic Transport in Bulk Polycrystalline Pr-doped SrTiO3−δ. Appl. Phys. Lett. 117, 055102 (2015).

Tags

الكيمياء، العدد 102، أكسيد الكهرباء الحرارية، براسيوديميوم، SrTiO
توليف غير موحد العلاقات العامة مخدر SrTiO<sub&gt; 3</sub&gt; سيراميك وخصائص الحرارية منها
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mehdizadeh Dehkordi, A.,… More

Mehdizadeh Dehkordi, A., Bhattacharya, S., Darroudi, T., Zeng, X., Alshareef, H. N., Tritt, T. M. Synthesis of Non-uniformly Pr-doped SrTiO3 Ceramics and Their Thermoelectric Properties. J. Vis. Exp. (102), e52869, doi:10.3791/52869 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter