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Chemistry

불균일 PR-도핑 된 SrTiO3의 합성 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

산화물 열전은 전자 수송 특성에 대한 안정성 및 비용 관점에서 고온 열전 애플리케이션을위한 유망한 후보로 나타났다. n 형 산화물 열전기 중에서 고농도 도핑 된 티탄산 스트론튬 (STO)를 인해 흥미로운 전기적 성질에 많은 관심을 끌고있다. 그러나, 큰 총 열 전도성 (κ ~ 12 W M -1 K -1 (300) 단결정에 대한 K에서) (1)과 낮은 캐리어 이동도 (μ ~ 6cm 2 V -1 초 -1 단결정 300 K에서) 한 악영향 메리트 차원 도면에 의해 평가된다 열전 성능에 영향을 미치는, 도전율 σ α는 제벡 계수이고, ZT = α이 σT / κ는, T 켈빈 절대 온도, 총 열전도율 κ. 우리는 본원에서 역률 같은 분자를 정의 PF = α 263; T. (SiGe와 합금과 같은) 다른 고온 열전기과 경쟁이 산화물 열전 재료 위해서는, 역률 및 / 또는 격자 열 전도도의 감소에 더 현저한 증가가 요구된다.

STO의 열전 특성을 향상시키기 위해 실험 연구의 대부분은 주로 변형 필드와 포논의 질량 변동 산란 통한 열전도율의 감소에 초점을 맞추고있다. 이러한 시도는 다음을 포함한다 : (i) 단일 또는 이중의 Sr 도핑 2+ 또는 / 및 Ti 4+ 사이트,이 방향에 대하여 주된 노력으로서, 자연 초 격자 Ruddlesden-포퍼 구조의 2,3- (II)의 합성 상기 나노 크기의 제 2상의 SrO를 첨가하여 층, (4) 및 (iii) 복합 공학 절연막을 통해 열전 도성을 감소시키기 위해. 5 단, 최대 최근까지 더 개선 전략 substant보고되지 않았다ially 이들 산화물에 열전 역률을 증가시킨다. 벌크 단일 및 다결정 STO에서보고 된 최대 역률 (PF) 값 PF <1.0 m의 W -1 K -1의 상한에 국한되어왔다.

합성 방법 및 처리 기술의 다양한 시도 상기 아이디어를 구현하는 데 사용되어왔다. 분말 합성 경로는 종래의 고상 반응을 포함 6 졸겔 7 종래 소결 반면 열수, 8 및 연소 합성, 9, 6 핫 프레스 (10)와 최근에 방전 플라즈마 소결 (12)로 분말을 조밀화하는데 사용되는 공통 기술들이다 대량 도자기. 그러나 유사한 불순물 (예를 들어, 라)와 도핑 농도, 그 결과 대량 세라믹 전자 및 열 수송 특성의 범위를 나타낸다. 이는 된 SrTiO3 <공정의 강하게 의존 결함 화학 대형 인합성에 의존하는 특성을 초래 부> 3. 열전 전송 혜택을 합성 및 처리 매개 변수를 최적화 보고서의 소수는있다. 그것은 때문에 아주 작은 포논에 SrTiO3를 무료 경로 (300 K에서 L 산도 ~ 2 나노 미터)을 의미하는 것으로 언급 할 가치가있다, 11 나노 구조는 주로 감소를 통해 대량 STO 도자기의 TE 성능의 개선을위한 실행 가능한 옵션이 아니다 격자 열 전도도.

최근에, 우리는 동시에 강화 된 화력 요인에서 발생하는 비 균일 PR-도핑 된 SrTiO3 3 도자기의 장점의 열전 그림의 30 % 이상 향상을보고이 상세한 비디오 프로토콜에서 열전도. 12, 13 감소, 우리가 제시하고 이들의 제조에 대한 우리의 합성 전략의 단계 논의 향상된 전자 및 열전 특성을 나타내는 STO 세라믹스 잠을 도핑.

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Protocol

PR-도핑 된 SrTiO3 3 분말 1. 준비

  1. SrCO 3 분말 (7.53407 G), 이산화 티탄 나노 분말 (4.28983 G), 및 PR의 이론 양, 산화 티타늄 3 잠 0.05 0.95 시니어 분말 10g을 준비 무게를하기 위해 2 O 반응 다음의 3 소결 덩어리 (0.44299 G) X = 0.05에 대한 :

식 (1)

  1. 마노 박격포와 유 봉을 사용하여 미세 입자의 무게 잠 2 O 3 소결 덩어리를 갈기.
  2. 잠 2 O 3에 무게 SrCO 3 분말과 이산화 티탄 나노 분말을 추가하고 연마 및 시각적으로 균일 한 분말을 얻을 때까지 마노 박격포와 유 봉을 사용하여 혼합 계속합니다.
  3. 유리 항아리로 분쇄 물을 넣고 30 분 째 균질화하는 난류 혼합을 사​​용전자 혼합물.
  4. 꼼꼼하게 청소 및 광택 스테인레스 스틸 다이 (직경 1 인치)로 생성 된 혼합 분말을 넣고 두 개의 스테인레스 스틸 플런저 사이를 샌드위치.
  5. 콜드 프레스 약 1 메트릭 톤의 하중 프레스를 사용하여 분말.
  6. 중공 스테인리스 스틸 실린더에 다이를 배치하고 가압로드를 사용하여 상부로부터 플런저 펠렛을 누름으로써 초기 가압 펠릿을 꺼내고. 다이로부터 냉간 펠릿 (성형체)의 토출 후, 부드럽게 스카치 테이프의 작은 조각으로 펠릿을 피복 테이프를 리핑하여 얇은 층을 제거하여 펠릿의 외주 표면상의 오염을 청소.
  7. 알루미나 보트와 추위를 눌러 펠렛 사이의 장벽으로 상업적으로 구입 SrTiO3를 분말로 가득 알루미나 보트에 수직으로 펠렛을 놓습니다.
  8. , 튜브로에서 보트를 놓고 3 시간에 1,300 ° C까지 가열 (15)이 온도에서 보관시간. 소성이 끝나면 펠릿 보일러 내부에서 실온까지 냉각시킵니다. 이 단계 후, "소성 과정"이라 칭한다.
  9. 마노 박격포와 유 봉을 사용하여 펠렛을 갈기 더욱 난류를 사용하여 혼합 유리 항아리에 생성 된 분말을로드합니다.
  10. 부하의 약 3 톤에서 누른 스테인레스 스틸 다이 및 감기에 가루를 넣습니다.
  11. 3 시간에 1,400 ° C에서 단계를 1.9 한 번 더 반복하고 20 시간 동안이 온도에서 보관하십시오.
  12. 마노 박격포와 유 봉을 사용하여 펠렛을 갈기.
  13. 반복 고체 상태 반응이 완성에 도달하기위한 1.11, 1.12, 1.13을 한 번 더 반복합니다.

대량 다결정 PR-도핑 된 SrTiO3 3 세라믹 2. 준비

  1. (2 mm 두께와 직경 12.7 mm의 디스크)으로 제조 된 분말 1.6 g의 무게.
  2. 상하 INTE 다루 graphoil 원형 조각을 준비흑연 다이에 끼워 분말과 흑연 플런저 rface. 또한, 흑연 몰드의 내벽을 덮도록 다른 직사각형 graphoil 조각을 준비한다.
  3. 흑연 다이 도입부로서 준비된 분말 (내경 12.7 mm)을로드하고 동일한 크기의 두 개의 플런저 사이 흑연 분말 샌드위치. 흑연 다이의 길이의 중간에 2 mm의 구멍을 드릴과 다이의 외면 온도 판독에 대한 내부 표면의 약 2mm이다.
    참고 : 다이 외부에 남아있는 흑연 플런저의 길이를 조정하고 구멍이 정확한 온도 독서를 얻기 위해 배치 된 샌드위치 분말 실린더의 중심에 위치. 흑연 플런저의 얼굴은 심하게 조각의 가공 중에 평준화 될 필요가있다. 모든 어긋남은 스파크 플라즈마 소결시 소결 펠릿의 균열이 발생할 수 있습니다.
  4. 콜드 프레스 스파크에 장착하기 전에 프레스를 사용하여 분말 부드럽게 (부하 <200kg)챔버 내부의 플라즈마 소결 판. 흑연 플런저 손상을 방지하기 위해 상단과 하단 플런저 및 언론 단계 사이의 평면 광택 스테인레스 스틸지지 플레이트를 사용합니다.
  5. 흑연 조각 절연의 다이 주위 느꼈다 랩과 흑연 원사로 고정합니다. 온도 판독 홀이 다이 상에 배치 된 펠트의 직사각형 조각을 절단하여 흑연 펠트에 창을 고안.
  6. 방전 플라즈마 소결 챔버로드 흑연 몰드 플런저를 놓는다. 최종 위치로 무대를 이동합니다.
  7. 초점 및 다이의 온도 판독 홀 고온계 목표 원을 정렬. 고온계의 방사율 설정이 흑연에 대해 설정되어 있는지 확인합니다.
  8. 챔버를 닫고 샘플에 7.7 KN 하중 (약 60 MPa의)를 넣습니다. 진공 및 아르곤으로 3 회 퍼지 챔버 6 파의 동적 진공하에 챔버를 떠난다.
  9. 수동 전류 (또는 증가를 이용하여 온도를 상승프로그램). 250 분 -1 사용 (에 대응을 약 300 ~ 400 ° C의 분 -1) 최적화 된 샘플. 이 방전 플라즈마 소결 공정의 가장 중요한 단계이다.
  10. 수동 전류를 조정 또는 프로그램을 사용하여 5 분 동안 1500 ° C의 온도에서 유지. 5 분간 보유 기간이 종료되면, 냉각 중에 시료 분해 피하기 위해 7.7 KN 부하를 신속하게 방출 전류를 차단하고. 챔버 내부 RT에 샘플 멋진하자.
  11. 부드럽게 감기 프레스를 사용하여 다이 흑연에서 대량 펠렛을 놓습니다. 이는 중공 스틸 실린더에 흑연 다이를 배치하고 펠렛 위에서로드를 밀어 스틸을 사용 흑연 플런저를 토출함으로써 행해진 다.
  12. 날카로운 면도날을 이용하여 펠릿 리면뿐만 아니라 내주면에 graphoil 제거.
  13. 보증하기 위해 각각의 측면에서 거친 사포 실망 0.3~0.5 mm 대 (400 눈금)를 사용하여 샘​​플을 폴란드어graphoil의 완전한 제거. 아세톤 샘플을 청소합니다.

대량 도자기 3. 전자의 특성 및 열전달 특성

  1. 아르키메데스 법을 이용하여, 세라믹 디스크, ρ의 밀도를 결정한다.
  2. 시료의 중량을 측정하여 W 건조한 다음, 물에 잠긴 시료의 중량 W 안정화 밀도 측정 시스템에 젖은로부터 아르키메데스 밀도를 계산할

식 (2)

ρ 물 측정 온도에서 물의 밀도이다. (14) (예 1, g cm -3 300 K에서와 동일)

  1. 아르곤의 75 mL의 분 -1 흐름 하에서 과도 레이저 플래시 기법을 이용하여, 시료 (D)의 열 확산율 측정. 두께를 측정샘플, L의, 정확하게 먼저 디지털 마이크로 미터를 사용하여.
    참고 : 다른 크기와 모양 (예를 들어, 원형 디스크 직경 또는 정사각형 10 × 10mm 2 개의 디스크에 12.7 ㎜)와 두께의 병렬 얼굴의 샘플을 쉽게 측정 할 수 MM 0.5 내지 5.
    1. 레이저 플래시 열확산 기법에서, 단편 (~ 1 밀리 초)의 레이저 펄스에 의해 시료의 한쪽면을 조사하고 적외선 검출기에 의해 대향면에 온도 상승을 기록한다. 그런 다음 시료의 두께와 후드 (15) 방정식을 이용하여 온도 상승 시간 프로필에서 레이저 플래시 인터페이스 소프트웨어에 의해 열 확산율을 계산할

식 (3)

여기서, L은 디스크 및 t의 1/2의 두께는 다른 (S)의 최대 온도 상승의 절반 시간이다샘플의 IDE.

주 : 파커 모델 (15)은 단열 샘플과, 다른 모델은 열 손실, 유한 펄스 지속 기간, 불균일 펄스 가열 및 비균질로서 측정 각종 손실을 고려 년 동안 제안되어 순간 펄스 가열 이상적인 조건을 가정 구조. 우리는 가장 진보 된 방법 중 하나 인 펄스 보정 코완 모델 (16)을 사용했다. 이 IR 검출기에 의해 관측 된 신호를 정면으로부터 전달 된 열 에너지의 양을 최대화하고 최대화하기 위해, 샘플 표면이 고도로 방출되어야한다는 점에 유의해야한다. 일반적으로이 샘플 표면에 흑연의 얇은 코팅의 적용을 필요로한다. 열 확산율의 측정에서 2 % -5 %의 불확실성 차원의 결정에서 발생하는, 존재한다. (17)

  1. 직사각형 막대 형태로 다이아몬드 톱을 사용하여 디스크 펠렛을 잘라 2 × 2 ×3 mm, 전기 전도도와 제벡 계수의 측정뿐만 아니라, 사각형 디스크, 4 고온 비열 및 얇은 직사각형 조각에 대한 X 4 X 1.5 mm 3, 홀 측정을위한 8 × 5 × 1mm 3.
  2. 평탄하고 경면 정사각형 조각 샘플의 비열, C의 P를 측정 (4 × 4 × 1.5 mm 3) 아르곤 기류 하에서, 시차 주사 열량계 (DSC)를 사용. 18
    1. 정확한 냉각 속도로, 샘플을 500 ° C로 20 K 분 -1 가열 속도까지 이어 열적 평형에 도달 할 수 있도록 10 분 동안 등온 유지를 위해 40 ° C 5 K 분 -1까지의 가열 속도를 사용 이는 하였다. 아르곤 기류 하에서 측정을 수행한다 (50 ㎖ 분 -1 제안된다).

인해, 분석에 사용되는 방법의 감도에 대한 열 용량을 결정하기 위해 3 회 측정을 실시 참고 공지 C의 P와 (사파이어와 같은) 표준 재료의 비열 (2) 측정 시료의 비열 (3) 측정, (1)베이스 라인 측정이 배경을 감산하도록 포함된다. 샘플 평면 거울 연마 (알과 함께이 작품에 사용 된 2 O 3 도가니 백금 / Rh를 팬) 측정 도가니의 바닥 이상적인 접촉을하기 위해 있는지 확인합니다. DSC 스테이지의 정확한 구조에 대한 자세한 내용은, DSC에 외 기술 및 시료를 측정하기위한 정확한 명령들의 비교는 다양한 출처에서 찾아 볼 수있다. (19)

  1. 20을 사용 ρ, 열확산, D, 비열, C P 및 밀도의 측정 값으로부터 시료의 고온 열전도, κ을 계산

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  1. 금 접시 샘플로부터 절단 2 × 2 × 10mm 세 조각에 프로브 접점 (4 콘택트)은 접촉 저항의 문제를 완화하기 위하여.
    1. 단, 원하는 접촉 면적에 금 스퍼터링하기 위해, 2 × 2 × 10mm 3 샘플 주위 스카치 테이프 스텐실로 사용할 랩. 2 얼굴이 취소 덮인 2 × 2mm를 남겨주세요. 면도날을 사용하여, 프로브의 거리에 의해 분리 된 라인을 따라 2 × 10mm이면의 중앙에 구멍이 매우 작은 (직경 약 1mm)를 잘라.
    2. 벤치 탑 금 스퍼터링 장치를 이용하여 ~ 200 nm 두께의 금 막을 스퍼터. 21
  2. 22,23 온도의 함수로서 샘플의 전기 수송 특성, 즉 전기 전도도와 제벡 계수)을 측정한다.
    1. 4 단자 법을 이용하여 전기 전도도를 측정한다. SAM의 지벡 계수를 측정두 개의 중간 열전대 "프로브"를 통해 온도 및 전압의 측정을 사용하여 전자 설정. 디지탈 현미경을 사용하여 이러한 두 프로브들 사이의 거리를 측정한다. 전기 전송 측정에 대한 자세한 내용은 다른 곳에서 찾을 수있다. (22, 23)
  3. 물성 측정 시스템을 사용하여 5 × 8 × 1mm 3 샘플 온도의 함수로서 홀 캐리어 농도를 측정한다. (24)

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Representative Results

X 선 회절 패턴 된 SrTiO3으로 된 SrTiO3에 잠의 용해도가 3 격자 PR-도핑의 효과를 연구하기 위하여 같은 제조 된 분말 및 PR 함량의 함수로서 대응하는 벌크 세라믹스 (도 1)에 대해 수집 된 3 차 위상 (들)의 형성. 패턴은 반사 공간 군 (도 1a)와 입방 격자에 연동 될 수있는 모든 같이 제조 된 분말의 SrTiO3를 위상의 형성을 확인한다. 홍보 컨텐츠를 증가 (도핑) X = 0 = 3.906에서 인덱스 격자 매개 변수의 단조 변화는 시니어 2+ 사이트에서 작은 잠 3+ 이온의 결합시 격자의 왜곡을 확인합니다. 약한 반사는 중간 프라세오디뮴 산화물 상에 대응하는 x> 0.05에서 관찰되었다 (예를 들면, 홍보 5 O 9) (공칭 잠 농도가 증가함에 따라 강도를 증가 (그림 1C, D) 완전히 사라진 것을 발견했다.

합성 구조 속성 관계 연구는 SPS의 가열 속도와 전자 수송 특성에 관찰 된 위상 차의 영향을 이해하기 위해 수행 하였다. 주사 전자 현미경은, 합성 및 치밀화 파라미터의 영향을 알아 특히 형태학 및 곡물 및 입계 (도 2)의 화학적 성질에, 플라즈마 소결의 승온 속도를 촉발 에너지 분산 X 선 스펙트럼과 함께 획득 하였다. Synthesis- (마이크로) 구조 - 특성 관계는 벌크 세라믹의 전자 수송 특성 (그림 2)의 온도 의존성을 모니터링하여 조사 하였다. 그것은 전기 전도도가 significan 할 수 있음을 발견했다TLY SPS의 가열 속도 (그림 2A)의 최적화를 통해 증가했다. 샘플은 상이한 가열 속도 (도 2A, 인셋) 하에서 치밀화 비슷한 제벡 계수와 캐리어 농도 값 얻었다 때문에 개선이 캐리어 이동도의 현저한 향상에 기인 하였다. 주사 전자 현미경 사진으로서 준비된 분말 (도 2B, 인셋)에 PR-풍부한 이차 위상 본 부분적 SPS 처리 (도 2B) 중에 결정립계 영역을 도핑 할 수 있음을 보여 주었다. SPS의 가열 속도의 적절한 최적화에 의해, 입계 영역은 완전이 경우, 캐리어 이동도 향상은 (도 2C)이 관찰되고, 홍보로 도핑 될 수있다.

300 ° C의 분 SPS 높은 가열 속도로 제조 된 세라믹 전자 벌크 열 수송 특성 - 1 O 함수로서 측정 하였다F 온도와 장점의 전체 열전 수치를 계산하기 위해 홍보 내용 (그림 3). 모든 샘플은 타락한 반도체 동작을 나타냅니다 (즉, 비금속 등) 전기 전도도 (그림 3A)와 해당 확산과 같은 열 전력 (thermopower) (그림 3B)를 참조하십시오. 큰 열전 역률> 1 W의 m -1 K -1 1.3 W (m)의 최대 -1 K -1 도달 넓은 온도 범위에서 x> 0.075와 세라믹 관찰 % 잠에서 3에 대응하는 X = 0.15, (대 도 3c). 동시에, 열전도 단조 감소는 X = 0.15 (도 3d)까지 잠을 증가 관찰되었다. 최적의 공칭 홍보 농도는 이러한 샘플에 대한 X = 0.15 인 것으로 밝혀졌다. 이전에보고 M을 통해 전체 온도 범위에 대한 매력의 차원 열전 그림 (ZT) 13 30 % 이상 개선aximum 값은 0.35의 ZT (13)의 최대 값이 500 ° C에서 수득 한 열전 도성 (도 3e).에서 화력 인자 및 환원의 동시 향상의 결과로서 얻어졌다. 측정치가 높은 환원 분위기 하에서 수행되는 경우, 상기 최대 0.6 ZT 값은 실험적인 전자 수송 및 열 데이터를 피팅하여 1000 ° C에서 예측된다. 캐리어 농도가 더 증가 될 수있는 경우 이러한 온도에서 역률 더 개선 될 가능성은 따라서 ZT도 존재한다. (30)

그림 1
도 1 X 선 회절 프로파일 (A) X 선 회절 (XRD) 한 시니어 프로필 -. 잠 X X 티오 3 - SPS 전에 δ 분말공칭 홍보 컨텐츠의 함수로서. (B)에 점선 사각형의 확대 된보기 (A), (C)의 XRD 프로파일 시니어 1 - X 잠 X 티오 3 - δ와 X = 0.075 전에 SPS (분말)과 높은 난방 속도 SPS (벌크 세라믹 후 ). 고상 반응 후의 냉간 압축 파우더와 대응 SPSed 세라믹의 사진이 도시되어있다. (C)의 점선 사각형의 (D) 확대 된보기. 허가. (12) 재판. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
SPS의 가열 속도의 영향도 2. (A)의 전기 전도도와 제벡의 온도 의존성 시니어 1 계수 (삽입) - X 잠 X 티오 3 -와 δ 세라믹 X = 0.075 100 ° C의 분의 두 개의 서로 다른 SPS 가열 속도를 사용하여 처리 - (1) 300 ° C의 분 - 1, 각각을. (100)에서 만든 세라믹의 (B) 후방 산란 전자 (BSE) 현미경 ° C 분 - 1 SPS. 프로 Y 입자에서 EDS 라인 스캔의 전형적인 잠 스펙트럼이 표시됩니다. (C) 300 ° C 분하에 이루어지는 세라믹의 후방 산란 전자 현미경 - 1 SPS 가열 속도. EDS 라인의 전형적인 잠 스펙트럼은 두 곡물, 곡물 1 곡물 2를 통해 검색, 표시됩니다. 삽입은 동일한 조리법 다음 시니어 0.95 라 0.05 티오 3 세라믹의 광우병 현미경 준비를 나타낸다. 허가 재판. (12) PLOAD / 52869 / 52869fig2highres.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
도 3 열전 수송성. (A)의 전기 전도도 (σ)의 온도 의존성, (B) 제벡 계수 (α), (PF = α2σT로 정의) (C), 역률, (D) 전체의 열전도율 (E ) 성능 지수, ZT 시니어 1 - X 잠 X 티오 3 - 홍보 내용의 함수로 δ 세라믹. 문헌에보고 된 최대 ZT 값의 온도 의존성은 비교를 위해 표시됩니다. 2,25-28은 허가를 재현. 12, 13"_blank>이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

이 프로토콜에서, 우리는 성공적으로 향상된 전자 및 열전 특성을 나타내는 벌크 다결정 PR-도핑 된 SrTiO3를 세라믹을 제조하기 위해 합성 전략의 단계를 제안 하였다. 프로토콜의 주요 단계는 하이로로서 준비된 분말을 치밀화 (I) 대기압 방전 플라즈마 소결법의 기능 (ⅱ) 복용 이점을 공기에 도핑 된 SrTiO3 3 분말의 고상 합성을 포함 벌크 세라믹스 동시에 밀도는 더 잠 가진 샘플의 입계를 도핑한다. 이 증명되었다 그 높은 SPS의 가열 속도를 적용하여 (300-400 ° C 분 -1) 이차 상 (들)에 대응하는 X 선 회절 패턴에서의 반사 (도 1C, D) 완전히 사라지고있다. 높은 가열 속도는 문학에서 이전 보고서와이 합성 전략의 중요한 차이점 중 하나입니다. 전체 1712 값을 측정 된 캐리어 농도 값에 대응하는 명목상 도핑 이어질 시니어 사이트에서 잠 도펀트의 혼입이 합성 전략의 주요 성과 중 하나이다. 그 결과, 높은 캐리어 농도 값이 동일한 공칭 도핑 농도가 다른 방법을 사용하여 샘​​플의 문헌에보고 된 값과 비교하여 본 연구에서 제조 된 샘플에 대한 준비가 관찰되었다. 전자 도핑의 다른 소스와 같은 산소 빈자리를 생성하기 위하여 산화물 분말을 줄이기 위해 방전 플라즈마 소결 실 (동적 진공 및 높은 가열 속도 하에서 흑연 다이)의 높은 환원 분위기을 활용하는 것도보고 된 다른 샘플들에서이 프로토콜을 구별 문학은 아르곤 (29) 또는 형성 가스 (AR에서 5 ~ 10 %의 H) (29) 분위기에서 준비했다.

또한, 관찰되는 것을 주로 SPS 높은 가열 속도, 보조 위상을 적용하여프라세오디뮴 산화물은 국부적 입계 영역을 도핑 할 수있다. 세라믹 샘플이 비 균일 도핑은 캐리어 이동도, 열전 역률뿐만 아니라 전체 열전도 상당한 감소에 예기치 표시된 개선 관찰 결과. 실험 데이터는 관찰 된 향상은 세라믹의 고유 한 미세 구조 및 PR 풍부한 경계 영역의 존재에 상관 관계가 있음을 시사한다. 이러한 경계는 예컨대 라 된 SrTiO3에 대해 (도 2C, 인셋) 다른 도펀트로 도핑되거나, 문헌에보고 된 다른 합성 방법으로 제조 된 3 세라믹을 관찰되지 않았다. 도슨과 다나카 최근의 이론적 연구에서는 로컬 구조 PR- 그리고 지학 조사하여 (PR-도핑 코어 - 쉘 형성 및 라 도핑하지 않습니다 유도 이유 즉,) 라 도핑 된 SrTiO3 3 입계를 이러한 관찰을 설명하려고 . (30) 이들의 계산은 지금까지의 보여라 도핑보다 입자 경계의 PR-도핑 tron​​ger 정력적인 혜택을 누릴 수 있습니다. 전자 수송 결과 효과적인 매체 이론에 의해 설명 할 수 없기 때문에, (12)은 그것의 전하 전송기구는 캐리어 이동도 개선에 관여 할 가능성이 있다고 생각된다.

결과는 전략은 특히 코어 - 쉘형 구조의 동일계 합성 구조로 합성하는 방법으로 적용될 수 있음을 증명한다. 그러나, 비 균일 도핑 효율은 복합 성분의 위상의 성질에 따라 달라진다. 이 방법은 재료에 존재하는 위상의 융점에 의해 제한된다. 높은 가열 속도 300 ~ 400 ° C 분 -1 기계적 압력 하에서 재료를 녹여 샘플 균열 또는 속성을 변경 로컬 수 있습니다. 따라서,이 프로토콜은 그들의 높은 온도 안정성으로 다른 산화물로 구현 될 수있는 좋은 합성 전략이다. 주의 exerc해야다른 방법은 열전 재료에 적용한 경우에 다루지. 스파크 플라즈마 소결 기술의 상태는 다른 재료 시스템으로 전략을 적용하기 이전에 최적화 될 필요가있다. 이것은 프로토콜의 고밀도화 부분 ​​nanosctructured 분말에 이용되는 경우에 적용 인해 높은 가열 속도에 상당한 입자 성장이 예상되는 것을 주목해야한다.

향후 연구는 또한 기계적 부하 (이 프로토콜에서 60 MPa로), SPS 균열 온도의 영향의 동시 최적화에 초점을 맞출 것이다 열전 특성을 향상시키기 위해 현재의 프로토콜을 수정하고, 체류 시간은 상기 열전 도성을 감소시키기 역률을 개선하고, 균열이없는 샘플의 제조 성공률을 향상시킬 수있다.

결론적으로, 우리는 PR-풍부한 입계와 벌크 다결정 PR-도핑 된 SrTiO3 3 세라믹의 제조를위한 합성 방법을 설명했다크게 향상된 전자 및 열전 특성을 나타내는이야. 이 연구에서 사용 된 합성 전략은 다른 속성과 높은 캐리어 이동도가 요구되는이 광범위하게 기능 페 로브 스카이 트의 응용 프로그램에 새로운 지평과 기회를 열 수 있습니다. 더욱이, 본 연구에서 입증 입계 공학 사용 방전 플라즈마 소결의 물리적 속성을 수정하는 다른 산화물 재료로 구현 될 수있다.

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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

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References

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화학 문제 (102) 산화물 열전기 프라세오디뮴 된 SrTiO3 공로의 향상된 그림 강화 된 역률 N 형 반도체 이동성 향상 곡물 경계 공학
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