Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Syntese af uensartet Pr-doteret 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

Oxide thermoelectrics viste sig at være lovende kandidater til høj temperatur termoelektriske applikationer, fra stabilitets- og cost perspektiver til elektroniske transport egenskaber. Blandt n-type oxid thermoelectrics har stærkt doteret strontium titanate (STO) tiltrukket sig stor opmærksomhed på grund af dens spændende elektroniske egenskaber. Imidlertid en stor samlet varmeledningsevne (κ ~ 12 W m -1 K -1 ved 300 K for enkelte krystaller) 1 og en lav bærer mobilitet (μ ~ 6 cm 2 V -1 sek-1 ved 300 K for enkelte krystaller) 1 skadelig indvirkning på termoelektriske præstation som evalueres af en dimensionsløs godhedstal, ZT = α 2 σT / κ, hvor α er Seebeck koefficient, σ den elektriske ledningsevne, T den absolutte temperatur i Kelvin, og κ den totale varmeledningsevne. Vi definerer heri tælleren som magtfaktor, PF = α 263 T. For at dette oxid termoelektriske materiale til at konkurrere med andre højtemperatur-thermoelectrics (såsom SiGe legeringer), er en mere udtalt stigning i magt faktor og / eller fald i gitter varmeledningsevne kræves.

De fleste af de eksperimentelle undersøgelser for at forbedre termoelektriske egenskaber af STO har hovedsageligt fokuseret på reduktion af varmeledningsevne gennem stammen-felt og masse udsving spredning af fononer. Disse forsøg omfatter: (i) Single- eller dobbelt-doping af Sr 2+ og / eller Ti 4+ sites, som de vigtigste indsats med hensyn til denne retning, 2,3 (ii) Syntese af naturlige superlattice Ruddlesden-Popper strukturer for yderligere at reducere den termiske ledningsevne gennem isolerende sro lag, 4 og (iii) Composite engineering ved tilsætning af en nanostørrelse anden fase. 5 Men indtil for nylig, er blevet rapporteret nogen forbedring strategi til substantially øge den termoelektriske effekt faktor i disse oxider. De rapporterede maksimale effekt faktor (PF) værdier i bulk enkelt- og poly-krystallinsk STO er blevet begrænset til en øvre grænse på PF <1,0 W m -1 K -1.

En række af syntese tilgange og forarbejdning teknikker er blevet anvendt til at gennemføre de idéer forsøgt ovenfor. De pulver synteseveje indbefatter konventionelle faststof-reaktion, 6 sol-gel, 7 hydrotermisk, 8 og forbrænding syntese, 9 henviser konventionel sintring, 6 varmpresning 10 og for nylig gnist plasma sintring 12 er blandt de almindelige teknikker, der anvendes til at fortætte pulverne i bulk-keramik. Men for en lignende doteringsmiddel (f.eks La) og doping koncentration, de resulterende bulk-keramik udviser en række elektroniske og termiske transportegenskaber. Dette er i stor på grund af den stærkt proces-afhængige defekt kemi SrTiO <sub> 3, som resulterer i syntese-afhængige egenskaber. Der er kun en håndfuld af rapporter optimering syntese og forarbejdning parametre til gavn termoelektrisk transport. Det er værd at nævne, at på grund af den meget lille phonon betyde gratis sti i SrTiO 3 (l ph ~ 2 nm ved 300 K), 11 nanostrukturering er ikke en farbar vej for forbedring af TE udførelsen af bulk STO keramik primært gennem reduktion af gitter varmeledningsevne.

For nylig har vi rapporteret mere end 30% forbedring i termoelektriske godhedstal i ikke-ensartet Pr-doterede SrTiO 3 keramik stammer fra en samtidig forbedret termoelektriske effektfaktor og reduceret varmeledningsevne. 12,13 I denne detaljerede video protokol præsenterer vi og diskutere trinnene vores syntese strategi til fremstillingen af ​​disse Pr-doteret STO keramik udviser forbedrede elektroniske og termoelektriske egenskaber.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fremstilling af Pr-doteret SrTiO 3 Powder

  1. For at forberede 10 g Sr 0,95 Pr 0.05 TiO 3 pulver, afveje støkiometriske mængder af SrCO 3 pulver (7,53407 g), TiO2 nanopowder (4,28983 g), og Pr 2 O 3 sintret klump (0,44299 g) efter reaktionen for x = 0,05:

Ligning 1

  1. Grind de vejede Pr 2 O 3 sintrede klumper til fine partikler ved hjælp af en agat morter og støder.
  2. Tilsæt vejes SrCO 3 pulver og TiO2 nanopowder til Pr 2 O 3 og fortsætte findeling og blanding ved anvendelse af en agatmorter og støder, indtil et visuelt homogent pulver er opnået.
  3. Indlæse formalede pulver i en glaskrukke og blandes under anvendelse af en turbulator i 30 min for at homogenisere the blanding.
  4. Indlæs det resulterende blandede pulver i en omhyggeligt renset og poleret rustfrit stål die (1 tomme i diameter) og sandwich den mellem to rustfrie stempler.
  5. Koldpressede pulveret under anvendelse af en presse under et ca. 1 ton belastning.
  6. Skubbe koldpressede pellet ved at placere dysen på en udhulet rustfrit stål cylinder og skubber stemplerne og pelleten ud fra toppen ved hjælp af en skubbende stang. Ved udstødning af koldpresset pellet (grønt legeme) fra matricen, rense enhver forurening på den perifere overflade af pellet ved forsigtigt at dække pelleten med et lille stykke Scotch-tape og fjernelse af et tyndt lag ved at rive båndet.
  7. Placer pellet lodret i en alumina båd fyldt med kommercielt købt SrTiO 3 pulver som barriere mellem aluminiumoxid båden og den koldpressede pellet.
  8. Placer båd i en rørovn, varme op til 1.300 ° C i 3 timer og opbevares ved denne temperatur i 15time. Pellet køle ned til stuetemperatur inde i ovnen, når kalcinering er slut. Dette trin omtales som "kalcinering processen" derefter.
  9. Grind pelleten under anvendelse af agat morter og støder og indlæse det resulterende pulver i en glaskrukke til yderligere blanding ved hjælp af turbulator.
  10. Indlæse pulveret i rustfrit stål matricen og koldpresset under en cirka 3 tons belastning.
  11. Gentag trin 1.9 en gang mere ved 1.400 ° C i 3 timer og holde det ved denne temperatur i 20 timer.
  12. Grind pelleten under anvendelse af agat morter og støder.
  13. Gentag trin 1.11, 1.12, og 1.13 en mere tid til fast tilstand reaktion at nå færdiggørelse.

2. Udarbejdelse af Bulk Polykrystallinske Pr-doteret SrTiO 3 Ceramic

  1. 1,6 g af den som fremstillede pulver vejes (for en skive 2 mm tyk og 12,7 mm i diameter).
  2. Forbered cirkulære graphoil stykker til at dække den øverste og nederste interface af de klemt pulver og grafit stemplerne i grafit dø. Også forberede en anden rektangulær graphoil stykke til at dække den indre væg af grafit dø.
  3. Indlæse som fremstillede pulver i en grafit die (12,7 mm i indvendig diameter) og sandwich pulveret mellem to grafit stempler af samme størrelse. Bor et 2-mm hul i midten af ​​længden af ​​grafit matricen og fra den ydre overflade af matricen til ca. 2 mm af den indre overflade til temperaturmåling.
    Bemærk: Justér længden af ​​grafit stemplerne tilbage uden for dør og placere midten af ​​den klemt pulver cylinder, hvor hullet er placeret for at få en præcis temperatur læsning. Ansigterne på de grafit stemplerne skal omhyggeligt jævnet under bearbejdningen af ​​stykkerne. Enhver skævhed kan resultere i revnedannelse i det sintrede pellet under gnist plasma sintring.
  4. Kold-tryk pulveret forsigtigt (belastning <200 kg) ved hjælp af en presse, før montering på gnistplasma sintring plade inde i kammeret. Brug flad poleret support rustfrit stål plader mellem de øverste og nederste stempler og pressen scenen for at undgå at beskadige grafit stemplerne.
  5. Wrap et stykke grafit følte omkring dør til isolering og fastgør det med grafit garn. Udtænke et vindue på grafitfilt ved at skære et rektangulært stykke af filt, hvor temperaturen læsning hul er placeret på dysen.
  6. Placer læsset grafit dø og stemplerne i den gnist plasma sintring kammer. Flyt scenen til den endelige stilling.
  7. Fokus og tilpasse pyrometeret målet cirkel på temperaturen læsning hul af dysen. Sørg for, emissivitet indstilling af pyrometeret er indstillet til grafit.
  8. Kammeret lukkes og sætte en 7,7 kN belastning (ca. 60 MPa) på prøven. Vakuum og rense kammeret med Ar tre gange og forlade kammeret under dynamisk vakuum på 6 Pa.
  9. Forøgelse af temperaturen ved at øge den nuværende (manuelt eller ved hjælp af enprogram). Anvende 250 A min -1 (svarende til ca. 300-400 ° C min-1) for de optimerede prøver. Dette er det vigtigste trin i gnist plasma sintringsprocessen.
  10. Holde temperaturen på 1.500 ° C i 5 min med manuel justering af nuværende eller brug af programmet. Ved afslutningen af ​​de 5 minutter holder periode, lukke den nuværende ud og hurtigt frigive 7,7 kN belastning for at undgå revnedannelse af prøven under nedkøling. Lad prøven cool at RT inde i kammeret.
  11. Slip hovedparten pellet fra grafitten die forsigtigt ved hjælp af den kolde presse. Dette gøres ved at placere grafit matrice på en udhulet stålcylinder og udstøde pellet og grafitpartiklerne stemplerne ved hjælp af en stål trykstangen fra toppen.
  12. Fjern graphoil på øverste og nederste flader af pellet samt rundtgående overflade med en skarp barberblad.
  13. Polere prøven ved hjælp af en groft sandpapir (400 grid) nede i 0,3-0,5 mm fra hver side for at sikrefuldstændig fjernelse af graphoil. Rengør prøven med acetone.

3. Karakterisering af elektroniske og termisk Transport egenskaber Bulk Keramik

  1. Bestemme densiteten af ​​den keramiske skive, ρ, ved hjælp af Archimedes-metoden.
  2. Måle vægten af prøven, W tør, og derefter vægten af prøven nedsænket i vand, W våd, på et stabiliseret densitet målesystem og beregne Archimedes densitet fra

Ligning 2

hvor ρ vand er densiteten af vand ved den temperatur måling (f.eks, er lig med 1 g cm-3 ved 300 K). 14

  1. Måle den termiske diffusivitet af prøven, d, ved hjælp af den forbigående laser-flash-teknik under en 75 ml min-1 strøm af Ar. Måle tykkelsenaf prøven, L, præcist først med et digitalt mikrometer.
    Bemærk: Parallel-faced prøver med forskellige størrelser og former (f.eks runde skiver 12,7 mm i diameter eller firkantet 10 x 10 mm 2 diske) og tykkelser mellem 0,5 og 5 mm let kan måles.
    1. I laser-flash termisk diffusivitet teknik bestråle en flade af prøven ved en kort (~ 1 ms) laserpuls og registrere temperaturstigning på den modsatte side af en infrarød detektor. Derefter beregne termisk diffusivitet af laser-flash interface software fra tykkelsen af prøven og temperaturstigningen-tid-profil ved hjælp af Parker ligning 15

Ligning 3

hvor L er tykkelsen af disken og t 1/2 er den halve tid af den maksimale temperaturstigning på den anden side af prøven.

Bemærk: Parker model 15 forudsætter ideelle betingelser for adiabatisk prøve og øjeblikkelig puls opvarmning, andre modeller er blevet foreslået i årenes løb, som tegner sig for forskellige tab i målingen som varmetab, finite impulsvarighed, uensartet puls opvarmning og ikke-homogen strukturer. Vi har brugt Cowan model 16 med puls korrektion, som er en af de mest avancerede metoder. Det skal bemærkes, at for at maksimere mængden af ​​varmeenergi overføres fra den forreste overflade og til at maksimere signalet observeret af IR-detektor, skal prøven overflader være meget emitterende. Normalt dette kræver anvendelse af et tyndt lag af grafit til prøve- overflader. En usikkerhed på 2% -5% i målingen af termisk diffusivitet eksisterer, som følge af fastsættelsen af dimension. 17

  1. Skær disken pellet ved anvendelse af en diamantsav i rektangulære stænger, 2 x 2 x 10mm3, elektrisk ledningsevne og Seebeck koefficient målinger samt ligge disk, 4 x 4 x 1,5 mm 3 for høj temperatur specifikke varme og et tyndt rektangulært stykke, 8 x 5 x 1 mm 3 for Hall målinger.
  2. Måle den specifikke varme, Cp, af prøven på flad og spejl-poleret firkantet stykke (4 x 4 x 1,5 mm 3) ved anvendelse af en differential scanning kalorimetri (DSC) under argon flow. 18
    1. Anvende en opvarmningshastighed på 5 K min -1 op til 40 ° C i en isoterm hold i 10 minutter for at tillade prøven at nå termisk ligevægt efterfulgt af 20 K min -1 opvarmningshastighed op til 500 ° C, med en nøjagtig afkølingshastighed som fulgte. Udføre målingen under strømmen af argon (50 ml min-1 foreslås).

Bemærk: På grund af følsomheden af ​​den anvendte metode til analyse lade foretage tre målinger at bestemme varmekapacitet herunder (1) en baseline måling at subtrahere baggrunden, (2) måling af den specifikke varme af en standard materiale (såsom safir) med en kendt C P, og (3) måling af den specifikke varme af prøven. Sørg for, at prøverne er flade og spejl-poleret for at gøre en ideel kontakt med bunden af målingen diglen (Pt / Rh pander med Al 2 O 3 digler, der anvendes i dette arbejde). Flere detaljer om den nøjagtige struktur DSC scenen, kan en sammenligning af de DSC teknikker til andre, og præcise instruktioner til måling af en prøve findes i forskellige kilder. 19

  1. Beregn høj temperatur varmeledningsevne, κ, af prøven fra de målte værdier for termisk diffusivitet, d, den specifikke varme, C P, og densiteten, ρ anvendelse af 20

/52869/52869eq4.JPG "Width =" 200 "/>

  1. Guld plade proberne kontaktpunkter (4 kontakter) på 2 x 2 x 10 mm 3 stykke skæres fra prøven at afhjælpe kontaktmodstand spørgsmål.
    1. For at sprutte guld kun på de ønskede kontaktområder, wrap en Scotch-tape rundt om 2 x 2 x 10 mm3 prøve at bruge som en stencil. Forlad 2 x 2 mm 2 ansigter un-dækket. Under anvendelse af et barberblad, skåret ud 2 meget små huller (ca. 1 mm i diameter) i midten af de 2 x 10 mm 2 ansigt langs en ​​linie adskilt af prober afstand.
    2. Sprutte en ~ 200 nm tyk guld film ved hjælp af en bænk-top guld sputtering enhed. 21
  2. Måle de elektriske transport egenskaber, nemlig den elektriske ledningsevne og Seebeck koefficient) af prøven som en funktion af temperatur 22,23.
    1. Måle elektrisk ledningsevne ved hjælp af fire-terminale metode. Mål Seebeck koefficient på same opsætning ved hjælp af målingerne af temperatur og spænding via de to midterste termoelement "sonder". Mål afstanden mellem disse to prober under anvendelse af en digital mikroskop. Flere detaljer om de elektriske transport målinger kan findes andre steder. 22,23
  3. Mål Hall carrier koncentration som funktion af temperaturen på 8 x 5 x 1 mm3 prøve ved hjælp Fysiske egenskaber Measurement System. 24

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

X-ray diffractions mønstre blev indsamlet for de as-forberedte pulvere og de ​​tilsvarende bulk-keramik som en funktion af Pr-indhold (Figur 1) for at undersøge virkningen af Pr-doping på SrTiO 3 gitter, opløselighed Pr i SrTiO 3 og dannelsen af sekundære fase (r). Mønstrene bekræfter dannelsen af SrTiO 3 fase i alle de som fremstillede pulvere hvor refleksioner kan indekseres til et kubisk gitter med plads gruppe (figur 1A). Den monoton ændring i den indekserede gitter parameter fra en = 3,906 for x = 0 (udoteret) med stigende Pr indhold bekræfter forvridning af gitter ved inkorporering af mindre Pr 3+ ioner i Sr 2 + sites. Svage overvejelser blev også observeret for x> 0,05, svarende til den mellemliggende praseodym oxid fase (f.eks Pr 5 O 9), som øger intensiteten med stigende nominel Pr fusion ( (figur 1C, D).

En syntese-struktur-ejendom forholdet studie blev udført for at forstå effekten af ​​SPS opvarmning sats og den observerede sekundære fase på de elektroniske transport egenskaber. Scanningselektronmikrografer blev erhvervet i forbindelse med energi-dispersive X-ray spektre for at undersøge virkningen af syntesen og densifikation parametre, især gnist plasma sintring opvarmningshastighed på morfologi og kemien af kornene og korngrænserne (figur 2). Syntese- (mikro) struktur-ejendom forhold blev undersøgt ved at overvåge temperatur-afhængighed af elektroniske transportegenskaber af bulk keramik (figur 2). Det konstateredes, at elektrisk ledningsevne kan være significantly forøget gennem optimering af SPS opvarmningshastigheden (figur 2A). Denne forbedring blev tilskrevet en markant forbedring i luftfartsselskabet mobilitet, da lignende Seebeck koefficient og carrier koncentrationsværdier blev opnået for prøver fortættede under forskellige opvarmning satser (figur 2A, indsat). Scanningselektronmikrografer har vist, at Pr-rige sekundær fase til stede i den som fremstillet pulver (figur 2B, indsat) delvist kan dope korngrænsen region i SPS-processen (figur 2B). Med den relevante optimering af SPS opvarmningshastigheden kan korngrænsen region være fuldt doteret med Pr, i hvilket tilfælde en forøgelse i bæreren mobilitet observeres (figur 2C).

Elektroniske og termiske transportegenskaber af bulk keramik fremstillet med en høj SPS opvarmningshastighed på 300 ° C min - 1 blev målt som en funktion of temperatur og Pr indhold for at beregne den samlede termoelektriske godhedstal (figur 3). Alle prøver udviser en degenereret halvledende adfærd (dvs. metallisk-lignende) for elektrisk ledningsevne (figur 3A) og en tilsvarende diffusiv-lignende thermopower (figur 3B). Stor termoelektriske effektfaktor> 1 W m -1 K -1 blev observeret for keramik med x> 0,075 i et bredt temperaturområde nåede et maksimum på 1,3 W m -1 K -1 for x = 0,15, svarende til 3 ved% Pr ( figur 3C). Samtidig blev en monoton reduktion i termisk ledningsevne observeres med stigende Pr op til x = 0,15 (figur 3D). Den optimale nominelle Pr koncentration viste sig at være x = 0,15 for disse prøver. 13 Mere end 30% forbedring i dimensionsløs termoelektriske godhedstal (ZT) for hele temperaturområdet over alle tidligere rapporterede maks værdier blev opnået som følge af den samtidige forbedring i den termoelektriske effektfaktor og reduktion af den termiske ledningsevne (figur 3E). 13. Maksimal ZT værdi på 0,35 blev opnået ved 500 ° C. Hvis målingerne skal udføres under en meget reducerende atmosfære, er maksimum ZT værdier over 0,6 forudsagt ved 1.000 ° C ved at montere de eksperimentelle elektroniske og termiske transport af data. Muligheden for yderligere forbedring af effektfaktoren ved disse temperaturer, og dermed ZT findes også, hvis koncentrationen luftfartsselskab kan øges yderligere. 30

Figur 1
Figur 1. røntgendiffraktion profiler (A) røntgendiffraktion (XRD) profiler af Sr 1 -. X Pr x TiO 3 - δ pulvere før SPSsom en funktion af den nominelle Pr indhold. (B) Forstørret billede af den stiplede rektangel i (a), (C) XRD profiler af Sr 1 - x Pr x TiO 3 - δ med x = 0,075 før SPS (pulver) og efter high-opvarmning-rate SPS (Bulk Ceramic ). Fotografier af koldpresset pulver efter solid-state reaktion og den tilsvarende SPSed keramik er vist. (D) Forstørret billede af den stiplede rektangel i (C). Genoptrykt med tilladelse. 12. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Effekt af SPS opvarmningshastighed. (A) temperaturafhængighed elektrisk ledningsevne og Seebeck koefficient (indsat) for Sr 1 - x Pr x TiO 3 - δ keramik med x = 0,075 behandles ved hjælp af to forskellige SPS opvarmning satser på 100 ° C min - 1 og 300 ° C min - 1 hhv. (B) tilbagekastet elektron (BSE) mikrografi af det keramiske foretaget under 100 ° C min - 1 SPS. En typisk Pr-spektrum af EDS linjescanning tværs af en PrO y partikel er vist. (C) tilbagekastet elektronmikrografi af det keramiske foretaget under en 300 ° C min - 1 SPS opvarmningshastighed. En typisk Pr spektrum af EDS line scan på tværs af to kerner, korn 1 og korn 2, fremgår. Det indsatte viser BSE mikrograf af Sr 0,95 La 0,05 TiO 3 keramiske udarbejdet efter samme opskrift. Genoptrykt med tilladelse. 12 pload / 52869 / 52869fig2highres.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Termoelektrisk transport egenskaber. Temperatur afhængighed af (A) elektrisk ledningsevne (σ), (B) Seebeck koefficient (α), (C) effektfaktor (defineret som PF = α2σT), (D) samlede varmeledningsevne og (E ) tal-of-merit, ZT for Sr 1 - x Pr x TiO 3 - δ keramik som en funktion af Pr-indhold. Temperaturafhængighed af de indberettede maksimale ZT værdier i litteraturen er vist til sammenligning. 2,25-28 Gengivet med tilladelse. 12,13_blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne protokol, har vi præsenterede trinene i syntesen strategi for at kunne forberede bulk-polykrystallinske Pr-doteret SrTiO 3 keramik udstiller forbedrede elektroniske og termoelektriske egenskaber. De vigtigste trin i protokollen omfatter (i) solid state-syntese af det dopede SrTiO 3 pulver i luft under atmosfærisk tryk og (ii) at drage fordel af mulighederne i gnist plasma sintring teknik til at fortætte så forberedt pulver i høj- densitet bulk-keramik og samtidig til yderligere dope korngrænserne af prøven med Pr. Det blev påvist, at ved at anvende en høj SPS opvarmningshastighed (300-400 ° C min -1) de refleksioner i røntgen-diffraktionsmønstre svarende til den sekundære fase (e) er fuldt forsvundet (figur 1C, D). Den høje varme sats er en af de vigtigste forskelle i denne syntese strategi med tidligere rapporter i litteraturen. 17 Completeinkorporering af Pr doteringsmidler i SR sites, som fører til målte bærer koncentrationsværdier svarende til den nominelle doping værdier 12, er et af de vigtigste resultater af denne syntese strategi. Som et resultat blev højere carrier koncentrationsværdier iagttages for de fremstillede i dette arbejde sammenligning med de værdier rapporteret i litteraturen for prøverne prøver fremstillet ved hjælp af andre metoder med samme nominelle doteringskoncentrationer. Drage fordel af den stærkt reducerende atmosfære af gnist plasma sintring kammer (grafit die under dynamisk vakuum og høj opvarmningshastighed) for at reducere oxid pulver for at skabe oxygenvakancer som en anden kilde til elektron doping differentierer også denne protokol fra andre prøver rapporteret i litteraturen udarbejdet under Ar 29 eller danner gas (5-10% H i Ar) 29 atmosfærer.

Det blev endvidere observeret, at ved at anvende en høj SPS opvarmningshastighed, sekundære faser, som primærtpraseodym oxid, kan lokalt dope korngrænsen regioner. Denne ikke-ensartet doping af de keramiske prøver resulterede i observationen af ​​en uventet markant forbedring i bæreren mobilitet, termoelektriske effekt faktor såvel som en signifikant reduktion i den samlede varmeledningsevne. De eksperimentelle data antyder, at den observerede forbedring er korreleret til den unikke mikrostruktur af keramik og tilstedeværelsen af ​​Pr-rige grænseområderne. Sådanne grænser blev ikke observeret for SrTiO 3 keramik doteret med andre dopingmidler som La (figur 2C, indsat) eller forberedt med andre syntesemetoder rapporteret i litteraturen. En nylig teoretisk undersøgelse fra Dawson og Tanaka forsøger at forklare denne observation (dvs. hvorfor Pr-doping inducerer kerne-shell dannelse og La-doping ikke) ved at undersøge den lokale struktur og energetik af PR- og La-doterede SrTiO 3 korngrænser . 30 Deres beregninger viser et langt stronger energisk fordel for Pr-doping af korngrænser end La-doping. Da de elektroniske transport resultaterne ikke kunne forklares ved en effektiv medium teori, 12 det menes, at en afgift overførsel mekanisme sandsynligvis være involveret i luftfartsselskabet mobilitet forbedring.

Resultaterne beviser, at strategien kan anvendes som en metode til at syntetisere in situ kompositstrukturer især af kerne-skal-typen struktur. Men effektiviteten af ​​uensartet doping afhænger af arten af ​​de indgående faser af kompositten. Denne fremgangsmåde er begrænset af smeltepunktet af faserne er til stede i materialet. Høje opvarmning satser på 300-400 ° C min -1 kan lokalt smelte materialet under mekanisk tryk og enten knække prøven eller ændre egenskaberne. Derfor er denne protokol er en god syntese strategi kan gennemføres til andre oxider grund af deres høje temperatur stabilitet. Forsigtighed bør være exercseret når fremgangsmåden anvendes på andre termoelektriske materialer. Betingelserne for gnist plasma sintring teknik skal optimeres før påføring strategien til andre materialer systemer. Det skal bemærkes, at på grund af de høje opvarmning satser, forventes betydelig vækst korn, hvis fortætning del af protokollen er ansat på nanosctructured pulvere.

Det fremtidige arbejde for at ændre den nuværende protokol med henblik på yderligere at forbedre de termoelektriske egenskaber vil fokusere på den samtidige optimering af effekten af ​​den mekaniske belastning (60 MPa i denne protokol), SPS iblødsætning temperatur og iblødsætning tid til yderligere at reducere den termiske ledningsevne , forbedre magt faktor, og for at forbedre succesraten for udarbejdelsen af ​​crack-fri prøver.

Afslutningsvis har vi vist syntese tilgang til udarbejdelse af bulk polykrystallinske Pr-doteret SrTiO 3 keramik med Pr-rige korn boundaries udstiller væsentligt forbedrede elektroniske og termoelektriske egenskaber. Syntesen strategi udnyttet i dette arbejde, kan åbne nye horisonter og muligheder til andre egenskaber og anvendelser af denne bredt funktionelle perovskit hvor højere luftfartsselskab mobilitet er ønsket. Desuden kan korngrænsen engineering hjælp gnist plasma sintring demonstreret i dette arbejde gennemføres i andre oxidmaterialer at modificere de fysiske egenskaber.

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

Kemi Oxide Termoelektrik Praseodym SrTiO Enhanced Figur of Merit Enhanced Power Factor N-type Semiconductor Mobility Enhancement Grain Boundary Engineering
Syntese af uensartet Pr-doteret SrTiO<sub&gt; 3</sub&gt; Keramik og deres Termoelektrisk Properties
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