Introduction
ऑक्साइड thermoelectrics इलेक्ट्रॉनिक परिवहन गुणों को स्थिरता और लागत दृष्टिकोण से उच्च तापमान thermoelectric अनुप्रयोगों के लिए होनहार उम्मीदवारों होना दिखाया गया। एन-प्रकार ऑक्साइड thermoelectrics के अलावा, अत्यधिक डाल दिया गया स्ट्रोंटियम titanate (STO) के कारण इसकी साज़िश का इलेक्ट्रॉनिक गुणों के लिए ज्यादा ध्यान आकर्षित किया है। हालांकि, एक बड़े कुल थर्मल चालकता (κ ~ 12 डब्ल्यू एम -1 कश्मीर -1 300 एकल क्रिस्टल के लिए कश्मीर में) 1 और एक कम वाहक गतिशीलता (μ ~ 6 सेमी 2 वी -1 सेकंड -1 एकल क्रिस्टल के लिए 300 कश्मीर पर) 1 हानिकारकतापूर्वक योग्यता के एक आयामरहित आंकड़ा द्वारा मूल्यांकन किया है जो thermoelectric प्रदर्शन को प्रभावित कर, विद्युत चालकता σ α Seebeck गुणांक है जहां ZT = α 2 σT / κ, टी केल्विन में पूर्ण तापमान, और कुल थर्मल चालकता κ। हम इस के साथ साथ बिजली कारक के रूप में अंश को परिभाषित, पीएफ = α 263, टी। (जैसे SiGe मिश्र के रूप में) अन्य उच्च तापमान thermoelectrics के साथ प्रतिस्पर्धा करने के लिए इस ऑक्साइड thermoelectric सामग्री के लिए आदेश में, बिजली का पहलू और / या जाली तापीय चालकता में कमी में एक और अधिक स्पष्ट वृद्धि के लिए आवश्यक हैं।
sto के thermoelectric गुणों में सुधार के क्रम में प्रयोगात्मक अध्ययन के बहुमत मुख्य रूप से तनाव-क्षेत्र और phonons की बड़े पैमाने पर उतार-चढ़ाव बिखरने के माध्यम से थर्मल चालकता की कमी पर ध्यान केंद्रित किया है। इन प्रयासों में शामिल हैं: (i) के एकल या सीनियर की डबल डोपिंग 2 + और / या तिवारी 4 + साइटों, इस दिशा के संबंध में मुख्य प्रयासों के रूप में, प्राकृतिक superlattice Ruddlesden-पॉपर संरचनाओं के 2,3 (द्वितीय) संश्लेषण आगे एक nanosized दूसरे चरण के अलावा द्वारा SRO परतों, 4 और (iii) समग्र इंजीनियरिंग इन्सुलेट के माध्यम से थर्मल चालकता कम करने के लिए। 5 हालांकि, हाल ही में जब तक, कोई वृद्धि रणनीति substant करने के लिए सूचित किया गया हैially इन आक्साइड में thermoelectric विद्युत कारक वृद्धि हुई है। थोक एकल और पाली क्रिस्टलीय sto में सूचना दी अधिकतम बिजली का पहलू (पीएफ) मूल्यों पीएफ <1.0 डब्ल्यू एम -1 कश्मीर -1 की एक ऊपरी सीमा तक ही सीमित कर दिया गया है।
संश्लेषण दृष्टिकोण और प्रसंस्करण तकनीक की एक किस्म के ऊपर का प्रयास विचारों को लागू करने के लिए नियोजित किया गया है। पाउडर संश्लेषण मार्गों पारंपरिक ठोस राज्य की प्रतिक्रिया शामिल हैं, 6 प-जेल, 7 पारंपरिक sintering जबकि जलतापीय, 8 और दहन संश्लेषण, 9, 6 गर्म दबाने 10 और हाल ही में चिंगारी प्लाज्मा sintering 12 में पाउडर घना करने के लिए इस्तेमाल आम तकनीकों में से एक हैं थोक मिट्टी के पात्र। हालांकि, एक समान dopant (जैसे, ला) और डोपिंग एकाग्रता के लिए, जिसके परिणामस्वरूप थोक मिट्टी के पात्र इलेक्ट्रॉनिक और थर्मल परिवहन संपत्तियों की एक श्रृंखला दिखा रहे हैं। इस वजह से SrTiO <की जोरदार प्रक्रिया पर निर्भर दोष रसायन शास्त्र के लिए बड़ी में हैसंश्लेषण पर निर्भर गुणों में जो परिणाम उप> 3। Thermoelectric परिवहन लाभ प्राप्त करने के संश्लेषण और प्रसंस्करण मानकों के अनुकूलन रिपोर्ट की एक मुट्ठी भर ही नहीं है। यह वजह से बहुत छोटा phonon को SrTiO 3 में मुफ्त पथ (300 कश्मीर में एल पीएच ~ 2 एनएम) इसका मतलब यह है कि उल्लेख के लायक है, 11 nanostructuring मुख्य रूप से कमी के माध्यम से थोक STO मिट्टी के पात्र के ते प्रदर्शन में सुधार के लिए एक व्यवहार्य विकल्प नहीं है जाली थर्मल चालकता की।
हाल ही में, हम एक एक साथ बढ़ाया thermoelectric विद्युत कारक से होने वाले गैर-समान रूप से पीआर-डाल दिया गया SrTiO 3 मिट्टी के बरतन में योग्यता के thermoelectric आंकड़े में 30% से अधिक सुधार की सूचना दी है और इस बारे में विस्तृत वीडियो प्रोटोकॉल में तापीय चालकता। 12,13 कम है, हम वर्तमान और इनमें से तैयार करने के लिए हमारे संश्लेषण रणनीति के इस कदम पर चर्चा सुधार इलेक्ट्रॉनिक और thermoelectric गुणों का प्रदर्शन STO मिट्टी के पीआर-डाल दिया गया।
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Protocol
पीआर-डाल दिया गया SrTiO 3 पाउडर 1. तैयारी
- SrCO 3 पाउडर (7.53407 जी), 2 Tio nanopowder (4.28983 जी), और पीआर की stoichiometric मात्रा, TiO 3 पीआर 0.05 0.95 सीनियर पाउडर के 10 ग्राम को तैयार वजन करने के लिए आदेश में 2 हे प्रतिक्रिया निम्नलिखित 3 sintered गांठ (0.44299 G) एक्स = 0.05 के लिए:
- एक सुलेमानी मोर्टार और मूसल का उपयोग कर ठीक कणों को तौला पीआर 2 ओ 3 sintered गांठ पीस लें।
- पीआर 2 ओ 3 को तौला SrCO 3 पाउडर और 2 Tio nanopowder जोड़ें और पीस और एक नेत्रहीन समरूप पाउडर हासिल की है, जब तक एक सुलेमानी मोर्टार और मूसल का उपयोग कर मिश्रण जारी है।
- एक ग्लास जार में जमीन पाउडर लोड और 30 मिनट वें homogenize करने के लिए एक turbulator का उपयोग कर मिश्रणई मिश्रण।
- एक सावधानी से साफ किया और पॉलिश स्टेनलेस स्टील के मरने (व्यास में 1 इंच) में जिसके परिणामस्वरूप मिश्रित पाउडर लोड और दो स्टेनलेस स्टील plungers के बीच यह सैंडविच।
- ठंड प्रेस एक लगभग 1 मीट्रिक टन भार के तहत एक प्रेस का उपयोग पाउडर।
- एक hollowed स्टेनलेस स्टील के सिलेंडर पर मरने रखने और एक धक्का छड़ी का उपयोग कर ऊपर से बाहर plungers और गोली धक्का द्वारा ठंड दबाया गोली निकालें। मरने से ठंड दबाया गोली (हरी शरीर) के इंजेक्शन पर, धीरे स्कॉच टेप का एक छोटा सा टुकड़ा के साथ गोली को कवर करने और टेप तेजस्वी द्वारा एक पतली परत को हटाने के द्वारा गोली के परिधीय सतह पर किसी भी संदूषण साफ।
- एल्यूमिना नाव और ठंड प्रेस गोली के बीच बाधा के रूप में वाणिज्यिक खरीदी SrTiO 3 पाउडर से भरा एल्यूमिना नाव में खड़ी गोली रखें।
- एक ट्यूब भट्ठी में नाव प्लेस 3 घंटा में 1300 डिग्री सेल्सियस तक गर्मी और 15 के लिए इस तापमान पर रखने के लिए यहघंटा। पकाना खत्म हो गया है जब गोली भट्ठी के अंदर आरटी को शांत करने के लिए अनुमति दें। यह कदम उसके बाद "पकाना प्रक्रिया" के रूप में जाना जाता है।
- सुलेमानी मोर्टार और मूसल का उपयोग कर गोली पीस और आगे turbulator का उपयोग कर मिश्रण के लिए एक ग्लास जार में जिसके परिणामस्वरूप पाउडर लोड।
- लोड के एक लगभग 3 मीट्रिक टन के तहत दबाया स्टेनलेस स्टील के मरने और ठंड में पाउडर लोड करें।
- 3 घंटे में 1,400 डिग्री सेल्सियस पर कदम 1.9 एक और बार दोहराएँ और 20 घंटे के लिए इस तापमान पर इसे रख लो।
- सुलेमानी मोर्टार और मूसल का उपयोग कर गोली पीस लें।
- दोहराएँ ठोस राज्य प्रतिक्रिया पूरा होने तक पहुँचने के लिए 1.11, 1.12, 1.13 और एक बार और कदम।
थोक Polycrystalline पीआर-डाल दिया गया SrTiO 3 सिरेमिक की 2. तैयारी
- (2 मिमी मोटी और व्यास में 12.7 मिमी एक डिस्क के लिए) के रूप में तैयार पाउडर का 1.6 जी वजन।
- ऊपर और नीचे क ¥ कवर करने के लिए परिपत्र graphoil टुकड़े की तैयारीग्रेफाइट मरने में बैठा पाउडर और ग्रेफाइट plungers के rface। इसके अलावा, ग्रेफाइट मरने के भीतरी दीवार को कवर करने के लिए एक और आयताकार graphoil टुकड़ा तैयार करते हैं।
- एक ग्रेफाइट मरने में के रूप में तैयार पाउडर (भीतरी व्यास में 12.7 मिमी) लोड और एक ही आकार के दो ग्रेफाइट plungers के बीच पाउडर सैंडविच। ग्रेफाइट मरने की लंबाई के बीच में एक 2 मिमी छेद ड्रिल और मरने की बाहरी सतह से तापमान पढ़ने के लिए अंदरूनी सतह के बारे में 2 मिमी।
नोट: मरने के बाहर शेष ग्रेफाइट plungers की लंबाई को समायोजित और छेद एक सटीक तापमान पढ़ पाने के लिए रखा गया है, जहां बैठा पाउडर सिलेंडर की केंद्र की स्थिति। ग्रेफाइट plungers के चेहरे सावधानी से टुकड़े की मशीनिंग के दौरान लगाए जाने की जरूरत है। किसी भी misalignment चिंगारी प्लाज्मा sintering दौरान sintered गोली के खुर में परिणाम कर सकते हैं। - शीत प्रेस चिंगारी पर बढ़ते करने से पहले एक प्रेस का उपयोग पाउडर धीरे (लोड <200 किग्रा)कक्ष के अंदर प्लाज्मा sintering थाली। ग्रेफाइट plungers के हानिकारक से बचने के ऊपर और नीचे plungers और प्रेस मंच के बीच फ्लैट पॉलिश स्टेनलेस स्टील के समर्थन प्लेट का उपयोग करें।
- ग्रेफाइट के एक टुकड़े के इन्सुलेशन के लिए मरने के आसपास महसूस किया लपेटें और ग्रेफाइट यार्न के साथ सुरक्षित। तापमान पढ़ने छेद मरने पर रखा गया है, जहां महसूस की एक आयताकार टुकड़ा काटने से महसूस किया ग्रेफाइट पर एक खिड़की चिंतन करना।
- चिंगारी प्लाज्मा sintering कक्ष में भरी हुई ग्रेफाइट मरने और plungers रखें। अंतिम स्थिति के लिए मंच ले जाएँ।
- ध्यान दें और मरने के तापमान पढ़ने छेद पर पाइरोमीटर लक्ष्य सर्कल पंक्ति में। पाइरोमीटर का उत्सर्जन सेटिंग ग्रेफाइट के लिए सेट किया जाता है सुनिश्चित करें।
- चैम्बर बंद और नमूना पर एक 7.7 केएन भार (लगभग 60 एमपीए) डाल दिया। वैक्यूम और गिरफ्तारी के साथ तीन बार कक्ष शुद्ध और 6 पा के गतिशील तहत निर्वात चैम्बर छोड़ दें।
- मैन्युअल रूप से चालू (बढ़ाने या एक का उपयोग करके तापमान बढ़ाएँकार्यक्रम)। 250 एक मिनट -1 का उपयोग करें (करने के लिए इसी लगभग 300-400 डिग्री सेल्सियस मिनट -1) अनुकूलित नमूने लिए। इस चिंगारी प्लाज्मा sintering प्रक्रिया का सबसे महत्वपूर्ण कदम है।
- मैन्युअल रूप से वर्तमान का समायोजन या प्रोग्राम का उपयोग करके 5 मिनट के लिए 1500 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर रखें। 5 मिनट धारण अवधि के अंत में, नीचे ठंडा करने के दौरान नमूना खुर से बचने के लिए 7.7 केएन भार जारी जल्दी से चालू बंद और। कक्ष के अंदर आरटी के लिए नमूना शांत करते हैं।
- धीरे ठंड प्रेस का उपयोग कर मर ग्रेफाइट से थोक गोली रिलीज। यह एक खोखला स्टील सिलेंडर पर ग्रेफाइट मरने रखने और गोली और ऊपर से रॉड धकेलने के एक स्टील का उपयोग कर ग्रेफाइट plungers के बाहर खदेड़ना द्वारा किया जाता है।
- एक तेज धार का उपयोग गोली के ऊपर और नीचे के चेहरे के रूप में अच्छी तरह से घेर सतह पर graphoil निकालें।
- आश्वस्त करने के लिए हर तरफ से किसी न किसी रेत कागज नीचे 0.3-0.5 मिमी के लिए (400 ग्रिड) का उपयोग नमूना पॉलिशgraphoil का पूरी तरह हटाने। एसीटोन के साथ नमूना साफ करें।
थोक मिट्टी के 3. इलेक्ट्रॉनिक की विशेषता और थर्मल परिवहन गुण
- आर्किमिडीज विधि का उपयोग कर, सिरेमिक डिस्क, ρ के घनत्व का निर्धारण करते हैं।
- नमूने के वजन को मापने, डब्ल्यू सूखी, और फिर पानी में डूबे हुए नमूना, के वजन डब्ल्यू एक स्थिर घनत्व माप प्रणाली पर, गीला और से आर्किमिडीज घनत्व की गणना
ρ पानी माप तापमान पर पानी का घनत्व है। 14 (उदाहरण के लिए, 1 ग्राम सेमी -3 300 कश्मीर में बराबर होती है)
- एर के 75 एमएल मिनट -1 प्रवाह के तहत क्षणिक लेजर फ्लैश तकनीक का उपयोग कर, नमूना, डी के थर्मल diffusivity उपाय। मोटाई मापनेनमूना, एल के सही पहली बार एक डिजिटल सुक्ष्ममापी का उपयोग।
नोट: विभिन्न आकारों और आकार (उदाहरण के लिए, गोल डिस्क व्यास या वर्ग 10 x 10 मिमी 2 डिस्क में 12.7 मिमी) और मोटाई के साथ समानांतर का सामना करना पड़ा नमूने आसानी से मापा जा सकता है मिमी 0.5 और 5 के बीच।- लेजर फ्लैश थर्मल diffusivity तकनीक में, एक छोटी (~ 1 मिसे) लेजर पल्स द्वारा नमूना से एक चेहरा चमकाना और एक बुनियादी लाल डिटेक्टर से विपरीत चेहरे पर तापमान वृद्धि दर्ज करते हैं। तब नमूना की मोटाई और पार्कर समीकरण 15 का उपयोग करते हुए तापमान वृद्धि के समय प्रोफ़ाइल से लेजर फ्लैश इंटरफ़ेस सॉफ्टवेयर के द्वारा थर्मल diffusivity की गणना
जहां एल डिस्क और टी 1/2 की मोटाई अन्य एस के अधिकतम तापमान में वृद्धि के आधे समय हैनमूने के आईडीई।
नोट: पार्कर मॉडल 15 स्थिरोष्म नमूना और अन्य मॉडलों ऐसी गर्मी का नुकसान, परिमित नाड़ी अवधि, गैर वर्दी पल्स ताप और nonhomogeneous के रूप में माप में विभिन्न घाटे के लिए खाते में जो साल, पर प्रस्तावित किया गया है तात्कालिक नाड़ी हीटिंग की आदर्श स्थिति हो जाती है संरचनाओं। हम सबसे उन्नत तरीकों में से एक है जो नाड़ी सुधार के साथ कोवान मॉडल 16 का इस्तेमाल किया है। यह आईआर डिटेक्टर से मनाया संकेत सामने की सतह से प्रेषित तापीय ऊर्जा की राशि को अधिकतम करने के लिए और अधिकतम करने के लिए, नमूना सतहों अत्यधिक छोड़नेवाला होना चाहिए कि ध्यान दिया जाना चाहिए। आमतौर पर यह नमूना सतहों के लिए ग्रेफाइट की एक पतली परत के आवेदन की आवश्यकता है। थर्मल diffusivity की माप में 2% -5% की एक अनिश्चितता आयाम का दृढ़ संकल्प से उत्पन्न होने वाले, मौजूद है। 17
- , आयताकार सलाखों में एक हीरे देखा का उपयोग डिस्क गोली कट 2 एक्स 2 एक्स 103 मिमी, विद्युत चालकता और Seebeck गुणांक माप के साथ ही एक वर्ग डिस्क, 4 उच्च तापमान विशिष्ट गर्मी और एक पतली आयताकार टुकड़े के लिए एक्स 4 एक्स 1.5 मिमी 3, हॉल मापन के लिए 8 एक्स 5 एक्स 1 3 मिमी।
- फ्लैट और दर्पण पॉलिश चौकोर टुकड़ा पर नमूने के विशिष्ट गर्मी, सी पी, माप (4 एक्स 4 एक्स 1.5 मिमी 3) आर्गन प्रवाह के तहत एक अंतर स्कैनिंग उष्मामिति (डीएससी) का उपयोग कर। 18
- एक सटीक ठंडा दर के साथ, नमूना 500 डिग्री सेल्सियस के लिए 20 कश्मीर मिनट -1 हीटिंग की दर से पीछा थर्मल संतुलन तक पहुँचने के लिए अनुमति देने के लिए 10 मिनट के लिए एक इज़ोटेर्माल पकड़ के लिए 40 डिग्री सेल्सियस के लिए 5 कश्मीर मिनट -1 का एक हीटिंग दर का उपयोग करें जो पीछा किया। आर्गन के प्रवाह के तहत माप प्रदर्शन (50 एमएल मिनट -1 का सुझाव दिया है)।
कारण, विश्लेषण के लिए इस्तेमाल किया विधि की संवेदनशीलता को गर्मी क्षमता का निर्धारण करने के लिए तीन माप का संचालन: नोट एक ज्ञात सी पी के साथ (जैसे कि नीलम के रूप में) एक मानक सामग्री के विशिष्ट गर्मी (2) माप, और नमूने के विशिष्ट गर्मी की (3) माप, (1) एक आधारभूत माप पृष्ठभूमि घटाना भी शामिल है। नमूने फ्लैट और दर्पण पॉलिश (अल साथ इस काम में इस्तेमाल 2 ओ 3 crucibles पीटी / आरएच धूपदान) माप क्रूसिबल के नीचे के साथ एक आदर्श संपर्क बनाने के क्रम में कर रहे हैं कि सुनिश्चित करें। डीएससी चरण की सटीक संरचना पर अधिक जानकारी के लिए, डी एस सी दूसरों के लिए तकनीक, और एक नमूना मापने के लिए सटीक निर्देश की तुलना विभिन्न स्रोतों में पाया जा सकता है। 19
- 20 का उपयोग कर ρ, थर्मल diffusivity, डी, विशिष्ट गर्मी, सी पी, और घनत्व के मापा मूल्यों से नमूने के उच्च तापमान तापीय चालकता, κ की गणना
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- सोने की थाली नमूना से काट 2 एक्स 2 एक्स 10 मिमी 3 टुकड़े पर जांच के संपर्क अंक (4 संपर्क) संपर्क प्रतिरोध मुद्दों को कम करने के लिए।
- केवल वांछित संपर्क क्षेत्रों पर सोने की धूम करने के लिए, 2 एक्स 2 एक्स 10 मिमी 3 नमूना के चारों ओर एक स्कॉच टेप एक स्टैंसिल के रूप में उपयोग करने के लिए लपेटो। 2 चेहरों संयुक्त राष्ट्र के कवर 2 एक्स 2 मिमी छोड़ दें। एक रेजर ब्लेड का प्रयोग, जांच दूरी के द्वारा अलग एक रेखा के साथ 2 एक्स 10 मिमी 2 चेहरे के बीच में 2 बहुत छोटे छेद (व्यास में लगभग 1 मिमी) काट दिया।
- एक बेंच टॉप सोना sputtering इकाई का उपयोग कर एक ~ 200 एनएम-मोटी सोने की फिल्म धूम। 21
- तापमान 22,23 के एक समारोह के रूप में नमूना के बिजली के परिवहन के गुण, अर्थात विद्युत चालकता और Seebeck गुणांक) को मापने।
- चार टर्मिनल विधि का उपयोग कर विद्युत चालकता उपाय। सैम पर Seebeck गुणांक उपायदो मध्यम थर्मोकपल "जांच" के माध्यम से तापमान और वोल्टेज की माप का उपयोग ई सेटअप। एक डिजिटल माइक्रोस्कोप का उपयोग कर इन दो जांच के बीच की दूरी को मापने के। बिजली के परिवहन माप पर अधिक जानकारी के लिए कहीं और पाया जा सकता है। 22,23
- एक भौतिक गुण मापन प्रणाली का उपयोग करते हुए 8 एक्स 5 एक्स 1 मिमी 3 नमूने पर तापमान के एक समारोह के रूप में हॉल वाहक एकाग्रता उपाय। 24
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Representative Results
एक्स-रे diffractions पैटर्न SrTiO में, SrTiO पर पीआर की घुलनशीलता 3 जाली पीआर डोपिंग के प्रभाव का अध्ययन करने के क्रम में के रूप में तैयार पाउडर और पीआर-सामग्री की एक समारोह के रूप में इसी थोक मिट्टी के पात्र (चित्रा 1) के लिए एकत्र किए गए थे 3 और माध्यमिक चरण (एस) के गठन। पैटर्न प्रतिबिंब अंतरिक्ष समूह (चित्रा 1 ए) के साथ एक घन जाली में सूचीबद्ध किया जा सकता है, जहां सभी के रूप में तैयार चूर्ण में SrTiO 3 चरण के गठन की पुष्टि करें। पीआर सामग्री को बढ़ाने के साथ (undoped) एक्स = 0 के लिए एक = 3.906 से अनुक्रमित जाली पैरामीटर में monotonic परिवर्तन सीनियर 2 + साइटों में छोटे पीआर 3 + आयनों के समावेश पर जाली के विरूपण की पुष्टि करता है। कमजोर प्रतिबिंब भी मध्यवर्ती प्रेसियोडीमियम ऑक्साइड चरण के लिए इसी X> 0.05 के लिए मनाया गया (जैसे, पीआर 5 हे 9) (नाममात्र पीआर एकाग्रता बढ़ाने के साथ तीव्रता में वृद्धि, जो
एक संश्लेषण-संरचना-संपत्ति संबंधों का अध्ययन एसपीएस हीटिंग दर और इलेक्ट्रॉनिक परिवहन संपत्तियों पर मनाया माध्यमिक चरण के प्रभाव को समझने के क्रम में आयोजित किया गया। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन micrographs, संश्लेषण और densification के मापदंडों के प्रभाव की जांच विशेष रूप से आकृति विज्ञान और अनाज और अनाज की सीमाओं (चित्रा 2) के रसायन विज्ञान पर, प्लाज्मा sintering हीटिंग दर चिंगारी ऊर्जा फैलानेवाला एक्स-रे स्पेक्ट्रा के साथ संयोजन के रूप में हासिल किया गया। Synthesis- (माइक्रो) संरचना-संपत्ति संबंध थोक मिट्टी के पात्र का इलेक्ट्रॉनिक परिवहन गुण (चित्रा 2) के तापमान निर्भरता की निगरानी के द्वारा जांच की गई। यह विद्युत चालकता significan हो सकता है कि पाया गया थाtly एसपीएस हीटिंग दर (2A चित्रा) के अनुकूलन के माध्यम से वृद्धि हुई है। नमूने अलग हीटिंग दर (2A चित्रा, इनसेट) के तहत densified के लिए इसी तरह की Seebeck गुणांक और वाहक एकाग्रता मूल्यों प्राप्त किया गया के बाद से यह सुधार वाहक गतिशीलता में एक उल्लेखनीय वृद्धि के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन micrographs के रूप में तैयार पाउडर (चित्रा 2 बी, इनसेट) में पीआर युक्त माध्यमिक चरण मौजूद आंशिक रूप से एसपीएस प्रक्रिया (चित्रा 2 बी) के दौरान अनाज सीमा क्षेत्र डोप कर सकते हैं कि पता चला है। एसपीएस हीटिंग दर का उचित अनुकूलन के द्वारा, अनाज सीमा क्षेत्र पूरी तरह से है, जो मामले में वाहक गतिशीलता में एक वृद्धि (चित्रा -2) मनाया जाता है, पीआर के साथ डाल दिया गया हो सकता है।
300 डिग्री सेल्सियस मिनट की एक उच्च एसपीएस हीटिंग दर के साथ तैयार थोक मिट्टी के पात्र का इलेक्ट्रॉनिक और थर्मल परिवहन गुण - 1 एक समारोह ओ के रूप में मापा गयाएफ तापमान और योग्यता के समग्र thermoelectric आंकड़ा की गणना करने के क्रम में पीआर सामग्री (चित्रा 3)। सभी नमूनों को एक पतित semiconducting के व्यवहार प्रदर्शित (यानी, धातु) की तरह विद्युत चालकता (चित्रा 3) और एक इसी वाचाल-तरह thermopower (3B चित्रा) के लिए। बड़े thermoelectric विद्युत कारक> 1 डब्ल्यू एम -1 कश्मीर -1 1.3 डब्ल्यू मीटर की अधिकतम -1 कश्मीर -1 तक पहुँचने के लिए एक व्यापक तापमान रेंज में एक्स> 0.075 के साथ मिट्टी के पात्र के लिए मनाया गया% जनसंपर्क में 3 करने के लिए इसी एक्स = 0.15, (के लिए चित्रा -3 सी)। इसके साथ ही, तापीय चालकता में एक monotonic कमी एक्स = 0.15 (चित्रा 3 डी) के लिए जनसंपर्क बढ़ाने के साथ मनाया गया। इष्टतम नाममात्र पीआर एकाग्रता इन नमूनों के लिए एक्स = 0.15 हो पाया था। सब पहले से सूचना दी मीटर से अधिक पूरे तापमान रेंज के लिए योग्यता के आयामरहित thermoelectric आंकड़ा (ZT) में 13 अधिक से अधिक 30% सुधारaximum मूल्यों 0.35 के 13 अधिकतम ZT मूल्य 500 डिग्री सेल्सियस पर प्राप्त हुई थी थर्मल चालकता (3E चित्रा)। में thermoelectric विद्युत कारक और कमी में एक साथ वृद्धि का एक परिणाम के रूप में प्राप्त किया गया। माप एक अत्यंत कम करने के वातावरण के तहत किया जा करने के लिए कर रहे हैं, 0.6 से ऊपर अधिकतम ZT मूल्यों प्रयोगात्मक इलेक्ट्रॉनिक और थर्मल परिवहन डेटा फिटिंग द्वारा 1,000 डिग्री सेल्सियस पर भविष्यवाणी कर रहे हैं। वाहक एकाग्रता आगे बढ़ा जा सकता है अगर इन तापमान पर बिजली का पहलू में और सुधार की संभावना है, और इसलिए ZT भी मौजूद हैं। 30
चित्रा 1. एक्स-रे विवर्तन प्रोफाइल (ए) के एक्स-रे विवर्तन (XRD) सीनियर 1 की प्रोफाइल -। एक्स पीआर एक्स TiO 3 - एसपीएस से पहले δ पाउडरनाममात्र पीआर सामग्री के एक समारोह के रूप में। (बी) में धराशायी आयत का बढ़ाया दृश्य (क), (सी) के XRD प्रोफाइल के सीनियर 1 - एक्स पीआर एक्स TiO 3 - δ साथ एक्स = 0.075 से पहले एसपीएस (पाउडर) और उच्च हीटिंग दर एसपीएस (थोक सिरेमिक के बाद )। राज्य के ठोस प्रतिक्रिया के बाद ठंड में दबाया पाउडर और इसी SPSed चीनी मिट्टी के फोटो दिखाए जाते हैं। (सी) में धराशायी आयत (डी) बढ़ाया देखें। अनुमति। 12 के साथ पुनर्प्रकाशित। इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
एसपीएस हीटिंग दर का आंकड़ा 2. प्रभाव। (ए) विद्युत चालकता और Seebeck का तापमान निर्भरता सीनियर 1 के लिए गुणांक (इनसेट) - एक्स पीआर एक्स TiO 3 - साथ δ मिट्टी के एक्स = 0.075 100 डिग्री सेल्सियस मिनट के दो अलग अलग एसपीएस हीटिंग दर का उपयोग संसाधित - 1 और 300 डिग्री सेल्सियस न्यूनतम - 1, क्रमशः। 100 के अधीन किए गए चीनी मिट्टी के (बी) backscattered इलेक्ट्रॉन (बीएसई) माइक्रोग्राफ डिग्री सेल्सियस न्यूनतम - 1 एसपीएस। एक समर्थक Y कण भर में ईडीएस स्कैन लाइन का एक विशिष्ट पीआर स्पेक्ट्रम दिखाया गया है। (सी) एक 300 डिग्री सेल्सियस मिनट के अधीन किए गए चीनी मिट्टी के backscattered इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मछवि - 1 एसपीएस हीटिंग दर। ईडीएस लाइन का एक विशिष्ट पीआर स्पेक्ट्रम दो अनाज, अनाज 1 और अनाज 2 भर स्कैन, दिखाया गया है। इनसेट एक ही नुस्खा निम्नलिखित सीनियर 0.95 ला 0.05 TiO 3 चीनी मिट्टी के बीएसई माइक्रोग्राफ तैयार दर्शाया गया है। अनुमति के साथ पुनर्प्रकाशित। 12 pload / 52,869 / 52869fig2highres.jpg "लक्ष्य =" _blank "> इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 3. शीतलक परिवहन गुण। (ए) विद्युत चालकता (σ) का तापमान निर्भरता, (बी) Seebeck गुणांक (α), (पीएफ = α2σT के रूप में परिभाषित) (सी) बिजली का पहलू, (डी) कुल थर्मल चालकता और (ई ) चित्रा-की योग्यता, ZT सीनियर 1 के लिए - एक्स पीआर एक्स TiO 3 - पीआर सामग्री के एक समारोह के रूप में δ मिट्टी के पात्र। साहित्य में सूचना दी अधिकतम ZT मूल्यों का तापमान निर्भरता तुलना के लिए दिखाया गया है। 2,25-28 अनुमति के साथ Reproduced। 12,13"_blank> इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
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Discussion
इस प्रोटोकॉल में, हम सफलतापूर्वक सुधार इलेक्ट्रॉनिक और thermoelectric गुणों का प्रदर्शन थोक polycrystalline पीआर-डाल दिया गया SrTiO 3 मिट्टी के पात्र को तैयार करने के क्रम में संश्लेषण रणनीति के इस कदम प्रस्तुत किया है। प्रोटोकॉल के मुख्य कदम उच्च में के रूप में तैयार पाउडर घना (i) वायुमंडलीय दबाव और चिंगारी प्लाज्मा sintering तकनीक की क्षमताओं (ii) लाभ लेने के नीचे हवा में डाल दिया गया SrTiO 3 पाउडर का ठोस राज्य संश्लेषण में शामिल थोक मिट्टी के पात्र और एक ही समय में घनत्व आगे जनसंपर्क के साथ नमूने की सीमाओं अनाज डोप करने के लिए। यह प्रदर्शन किया गया है कि एक उच्च एसपीएस हीटिंग दर लागू करने के द्वारा (300-400 डिग्री सेल्सियस मिनट -1) माध्यमिक चरण (एस) के लिए इसी एक्स-रे विवर्तन पैटर्न में प्रतिबिंब (चित्रा 1C, डी) पूरी तरह से गायब हो रहे हैं। उच्च हीटिंग दर साहित्य में पिछली रिपोर्टों के साथ इस संश्लेषण की रणनीति का मुख्य अंतर में से एक है। पूरा 1712 मूल्यों मापा वाहक एकाग्रता मूल्यों नाममात्र डोपिंग के लिए इसी नेतृत्व करने के लिए जो सीनियर साइटों में पीआर dopants, का समावेश इस संश्लेषण रणनीति की मुख्य उपलब्धियों में से एक है। नतीजतन, उच्च वाहक एकाग्रता मूल्यों एक ही नाममात्र डोपिंग सांद्रता के साथ अन्य तरीकों का उपयोग कर नमूने के लिए साहित्य में सूचना दी मूल्यों की तुलना में इस काम में तैयार नमूनों के लिए तैयार मनाया गया। इलेक्ट्रॉन डोपिंग का एक और स्रोत के रूप में ऑक्सीजन रिक्तियों बनाने के क्रम में ऑक्साइड पाउडर को कम करने के लिए चिंगारी प्लाज्मा sintering कक्ष (गतिशील निर्वात और उच्च हीटिंग दर के तहत ग्रेफाइट मरो) की अत्यधिक कम करने माहौल का लाभ उठाते हुए भी की रिपोर्ट में अन्य नमूनों से इस प्रोटोकॉल differentiates साहित्य अर 29 या बनाने गैस (एर में 5-10% एच) 29 वायुमंडल के तहत तैयार किया।
इसके अलावा, यह देखा गया है कि मुख्य रूप से कर रहे हैं, जो एक उच्च एसपीएस हीटिंग दर, माध्यमिक चरणों को लागू करने सेप्रेसियोडीमियम ऑक्साइड, स्थानीय स्तर पर अनाज सीमा क्षेत्रों डोप कर सकते हैं। चीनी मिट्टी के नमूनों की इस गैर वर्दी डोपिंग वाहक गतिशीलता, thermoelectric विद्युत कारक के रूप में अच्छी तरह से कुल थर्मल चालकता में एक महत्वपूर्ण कमी में एक अप्रत्याशित उल्लेखनीय सुधार के अवलोकन में हुई। प्रयोगात्मक डेटा मनाया वृद्धि मिट्टी के पात्र का अनूठा microstructure और पीआर अमीर सीमा क्षेत्रों की उपस्थिति के लिए सहसंबद्ध है कि सलाह देते हैं। इस तरह की सीमाओं SrTiO के लिए इस तरह ला (चित्रा -2, इनसेट) के रूप में अन्य dopants के साथ डाल दिया गया या साहित्य में सूचित अन्य संश्लेषण तरीकों के साथ तैयार 3 मिट्टी के पात्र नहीं मनाया गया। डावसन और तनाका द्वारा हाल ही में सैद्धांतिक अध्ययन स्थानीय संरचना और Pr- और की Energetics की जांच से (पीआर डोपिंग कोर-खोल गठन और ला-डोपिंग करता नहीं लाती है क्यों यानी,) ला-डाल दिया गया SrTiO 3 अनाज की सीमाओं इस अवलोकन की व्याख्या करने का प्रयास । 30 उनकी गणना एक दूर के शोला-डोपिंग की तुलना में अनाज की सीमाओं के पीआर डोपिंग के लिए tronger ऊर्जावान लाभ। इलेक्ट्रॉनिक परिवहन परिणामों प्रभावी माध्यम के सिद्धांत से नहीं समझाया जा सकता है, 12 में यह एक चार्ज हस्तांतरण तंत्र वाहक गतिशीलता सुधार में शामिल होने की संभावना है कि माना जाता है।
परिणामों की रणनीति विशेष रूप से कोर-खोल प्रकार संरचना के सीटू समग्र संरचना में synthesize करने के लिए एक विधि के रूप में लागू किया जा सकता है कि साबित होते हैं। हालांकि, गैर वर्दी डोपिंग की दक्षता समग्र की संविधान चरणों की प्रकृति पर निर्भर करता है। इस विधि सामग्री में मौजूद चरणों का गलनांक द्वारा सीमित है। उच्च हीटिंग दरों में 300-400 डिग्री सेल्सियस मिनट -1 यांत्रिक दबाव में सामग्री पिघल और नमूना दरार या गुणों को बदलने या तो स्थानीय कर सकते हैं। इसलिए, इस प्रोटोकॉल की वजह से उनके उच्च तापमान स्थिरता के लिए अन्य आक्साइड के लिए लागू किया जा करने के लिए एक अच्छा संश्लेषण की रणनीति है। सावधानी Exerc होना चाहिएविधि अन्य thermoelectric सामग्री के लिए लागू किया जाता है जब ised। चिंगारी प्लाज्मा sintering तकनीक की शर्तों को अन्य सामग्री प्रणालियों के लिए रणनीति लागू करने से पहले अनुकूलित किया जाना चाहिए। यह प्रोटोकॉल का densification हिस्सा nanosctructured पाउडर पर कार्यरत है अगर कारण लागू किया उच्च हीटिंग दर करने के लिए, महत्वपूर्ण अनाज विकास की उम्मीद है कि ध्यान दिया जाना चाहिए।
भविष्य का काम आगे यांत्रिक लोड (इस प्रोटोकॉल में 60 एमपीए), एसपीएस भिगोने तापमान के प्रभाव का एक साथ अनुकूलन पर ध्यान दिया जाएगा thermoelectric गुणों में सुधार के क्रम में मौजूदा प्रोटोकॉल को संशोधित करने के लिए, और भिगोने समय आगे थर्मल चालकता कम करने के लिए , बिजली का पहलू में सुधार, और दरार मुक्त नमूनों की तैयारी की सफलता की दर में सुधार होगा।
अंत में, हम जनसंपर्क युक्त अनाज boundarie के साथ थोक polycrystalline पीआर-डाल दिया गया SrTiO 3 मिट्टी के पात्र की तैयारी के लिए संश्लेषण दृष्टिकोण का प्रदर्शन किया हैकाफी सुधार इलेक्ट्रॉनिक और thermoelectric गुणों का प्रदर्शन करते है। इस काम में उपयोग संश्लेषण रणनीति अन्य संपत्तियों और उच्च वाहक गतिशीलता वांछित है जहां इस मोटे तौर पर कार्यात्मक perovskite के आवेदन करने के लिए नए क्षितिज और अवसर खोल सकता है। इसके अलावा, इस काम में प्रदर्शन अनाज सीमा इंजीनियरिंग का उपयोग कर चिंगारी प्लाज्मा sintering भौतिक गुणों को संशोधित करने के लिए अन्य ऑक्साइड सामग्री में लागू किया जा सकता है।
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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 |
References
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