Introduction
Termoeléctricas Óxido mostraron ser candidatos prometedores para alta temperatura aplicaciones termoeléctricas, de estabilidad y de costos perspectivas a las propiedades de transporte electrónico. Entre las termoeléctricas de óxido de tipo n, titanato de estroncio altamente dopado (STO) ha atraído mucha atención debido a sus propiedades electrónicas intrigantes. Sin embargo, una gran conductividad térmica total (κ ~ 12 W m-1 K-1 a 300 K para monocristales) 1 y una baja movilidad de portador (μ ~ 6 cm 2 V -1 s -1 a 300 K para monocristales) 1 afecta negativamente el rendimiento termoeléctrico que es evaluado por una cifra sin dimensiones del mérito, ZT = α 2 σT / κ, donde α es el coeficiente de Seebeck, σ la conductividad eléctrica, T la temperatura absoluta en grados Kelvin, y κ la conductividad térmica total. Estamos aquí definimos el numerador como el factor de potencia, PF = α 263; T. Para que este material termoeléctrico óxido de competir con otras termoeléctricas de alta temperatura (como aleaciones SiGe), se requiere un aumento más pronunciado en el factor de potencia y / o disminución de la conductividad térmica de celosía.
La mayoría de los estudios experimentales con el fin de mejorar las propiedades termoeléctricas de STO se han centrado principalmente en la reducción de la conductividad térmica a través de la cepa de campo y la fluctuación de la masa de dispersión de fonones. Estos intentos incluyen: (i) simple o doble dopaje del Sr 2+ y / o Ti 4+ sitios, como los principales esfuerzos con respecto a esta dirección, 2,3 (ii) Síntesis de superreticulados naturales estructuras Ruddlesden-Popper 5 Sin embargo, a fin de reducir aún más la conductividad térmica a través de capas aislantes SRO, 4 y (iii) la ingeniería compuesto por adición de una segunda fase nanométricas., hasta hace poco, ninguna estrategia de mejora se ha informado que substantially aumentar el factor de potencia termoeléctrica en estos óxidos. Los valores del factor de potencia máxima reportada (PF) en un solo volumen y STO policristalino se han limitado a un límite superior de FP <1,0 W m -1 K -1.
Una variedad de enfoques de síntesis y técnicas de procesamiento se han empleado para poner en práctica las ideas intentado anteriormente. Las rutas de síntesis en polvo incluyen la reacción de estado sólido convencional, 6 sol-gel, 7 hidrotermal, 8 y síntesis de combustión, mientras que 9 de sinterización convencional, 6 prensado en caliente 10 y recientemente sinterización de plasma por chispa 12 se encuentran entre las técnicas comunes que se utilizan para densificar los polvos en la cerámica a granel. Sin embargo, para un dopante similar (por ejemplo, La) y la concentración de dopaje, la cerámica a granel resultantes exhiben una gama de propiedades de transporte electrónicos y térmicos. Esto es en gran debido al defecto química fuertemente proceso dependiente de SrTiO <sub> 3 que resulta en propiedades de síntesis-dependiente. Hay sólo un puñado de informes optimizando los parámetros de síntesis y procesamiento de beneficiarse transporte termoeléctrica. Vale la pena mencionar que, debido a la muy pequeña de fonones recorrido libre medio en SrTiO 3 (l pH ~ 2 nm a 300 K), 11 nanoestructuración no es una opción viable para la mejora del rendimiento de la cerámica TE STO mayor principalmente a través de la reducción de la conductividad térmica de celosía.
Recientemente, se informó más de un 30% de mejora en la cifra termoeléctrica de mérito en no uniforme dopados-Pr SrTiO3 cerámicas procedentes de un factor de potencia termoeléctrica mejorado de forma simultánea y redujimos la conductividad térmica. 12,13 En este protocolo vídeo detallado, presentamos y discutir los pasos de nuestra estrategia de síntesis para la preparación de estos Pr-dopado cerámica STO que exhiben propiedades mejoradas electrónicos y termoeléctricas.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Preparación de dopado-Pr SrTiO 3 Polvo
- Para preparar 10 g de Sr 0.95 Pr 0.05 de TiO 3 en polvo, pesar las cantidades estequiométricas de SrCO3 polvo (7.53407 g), TiO2 nanopolvo (4,28983 g), y Pr 2 O 3 bulto sinterizado (0,44299 g) después de la reacción para x = 0,05:
- Moler las pesadas Pr 2 O 3 bultos sinterizados a partículas finas utilizando un mortero de ágata y una maja.
- Añadir la pesada SrCO3 polvo y TiO 2 nanopolvo a la Pr 2 O 3 y continuar triturando y mezclando usando un mortero de ágata y mano de mortero hasta que se logra un polvo visualmente homogénea.
- Carga el polvo molido en un frasco de vidrio y se mezcla utilizando un generador de turbulencia durante 30 min a homogeneizar THmezcla e.
- Carga el polvo mezclado resultante en un troquel de acero inoxidable meticulosamente limpiado y pulido (1 pulgada de diámetro) y sándwich entre dos émbolos de acero inoxidable.
- Prensa fría del polvo utilizando una prensa bajo una carga de aproximadamente 1 tonelada métrica.
- Expulsar el pellet prensado en frío mediante la colocación de la matriz en un cilindro de acero inoxidable ahuecado y empujando los émbolos y el sedimento a cabo desde la parte superior utilizando una varilla de empuje. Tras la expulsión de la pastilla prensado en frío (cuerpo verde) de la matriz, limpiar cualquier contaminación en la superficie circunferencial de la pastilla, cubriendo suavemente el sedimento con un pequeño trozo de cinta Scotch-y la eliminación de una capa delgada por la rasgadura de la cinta.
- Coloque el pellet verticalmente en un bote lleno de alúmina comercialmente adquirida SrTiO3 polvo como la barrera entre el barco alúmina y el prensado en frío de pellets.
- Coloque el barco en un horno de tubo, calentar hasta 1.300 ° C en 3 horas y se mantendrá a esta temperatura durante 15hora Dejar que el precipitado se enfríe a RT el interior del horno cuando la calcinación ha terminado. Este paso se conoce como el "proceso de calcinación" a partir de entonces.
- Moler el sedimento utilizando el mortero de ágata y una maja y cargar el polvo resultante en un frasco de vidrio para mezclar aún más utilizando la turbulencia.
- Carga el polvo en la matriz de acero inoxidable y prensado en frío bajo una de aproximadamente 3 toneladas métricas de carga.
- Repita el paso 1.9 una vez más en 1400 ° C en 3 horas y se mantendrá a esta temperatura durante 20 horas.
- Moler el sedimento utilizando el mortero de ágata y una maja.
- Repita los pasos 1.11, 1.12, 1.13 y una vez más para la reacción en estado sólido para alcanzar la terminación.
2. Preparación de granel dopado-Pr policristalino SrTiO3 Cerámica
- Pesar 1,6 g del polvo preparado como (para un disco de 2 mm de espesor y 12,7 mm de diámetro).
- Preparar piezas grafoil circulares para cubrir el inte parte superior e inferiorrface de los émbolos en polvo y grafito intercalados en la matriz de grafito. Además, preparar otra pieza graphoil rectangular para cubrir la pared interior de la matriz de grafito.
- Carga el polvo preparado como en un troquel de grafito (12,7 mm de diámetro interior) y sándwich el polvo entre dos émbolos de grafito del mismo tamaño. Perforar un agujero de 2 mm en el medio de la longitud de la matriz de grafito y de la superficie exterior de la matriz a aproximadamente 2 mm de la superficie interior para la lectura de la temperatura.
Nota: Ajuste la longitud de los pistones de grafito restantes fuera del molde y colocar el centro del cilindro de polvo intercalado donde se coloca el agujero para obtener una lectura precisa de la temperatura. Las caras de los émbolos de grafito necesitan ser nivelado meticulosamente durante el mecanizado de las piezas. Cualquier desalineación puede resultar en el agrietamiento del pellet sinterizado durante la sinterización de plasma por chispa. - Fría-prensa el polvo suavemente (carga <200 kg) utilizando una prensa antes de montar en la chispaplaca de sinterización de plasma dentro de la cámara. Utilice pulido placas de soporte de acero inoxidable planas entre la émbolos superior e inferior y la etapa de prensa para evitar daños en los pistones de grafito.
- Envuelva un pedazo de fieltro de grafito alrededor de la matriz para el aislamiento y asegurarla con hilo de grafito. Idear una ventana en el grafito sentida por el corte de una pieza rectangular de fieltro donde se coloca el agujero lectura de la temperatura en el dado.
- Colocar el molde de grafito cargado y émbolos en la cámara de sinterización de plasma por chispa. Mover la etapa a la posición final.
- Enfoque y alinear el círculo objetivo Pirómetro en el hoyo lectura de la temperatura de la matriz. Asegúrese de que el ajuste de emisividad del pirómetro se establece para el grafito.
- Cierre de la cámara y poner una carga de 7,7 kN (aproximadamente 60 MPa) en la muestra. Vacío y purgar la cámara con Ar tres veces y dejar la cámara al vacío dinámica de 6 Pa.
- Aumentar la temperatura mediante el aumento de la corriente (manualmente o usando unaprograma). Utilice 250 A min -1 (correspondiente a aproximadamente 300-400 ° C min -1) para las muestras optimizadas. Este es el paso más importante del proceso de sinterización de plasma por chispa.
- Mantener la temperatura a 1.500 ° C durante 5 min ajustando manualmente la corriente o el uso del programa. Al final del periodo de tenencia de 5 minutos, apague la corriente fuera y suelte rápidamente la carga de 7,7 kN para evitar el agrietamiento de la muestra durante el enfriamiento. Deje enfriar la muestra a temperatura ambiente dentro de la cámara.
- Suelte el sedimento grueso del grafito morir suavemente con la prensa en frío. Esto se realiza mediante la colocación de la matriz de grafito en un cilindro de acero hueco y expulsar el sedimento y los émbolos de grafito utilizando una varilla de acero empujando desde la parte superior.
- Retire la graphoil en las caras superior e inferior de la pastilla, así como la superficie circunferencial utilizando una cuchilla de afeitar afilada.
- Pulir la muestra utilizando un papel de lija áspero (400 rejilla) durante 0,3-0,5 mm de cada lado para asegurarla eliminación completa de la graphoil. Limpiar la muestra con acetona.
3. Caracterización de Electrónica y Transporte térmica Propiedades de la cerámica a granel
- Determinar la densidad del disco de cerámica, ρ, utilizando el método de Arquímedes.
- Medir el peso de la muestra, W seco, y luego el peso de la muestra sumergida en el agua, W húmedo, en un sistema de medición de la densidad estabilizado y calcular la densidad de Arquímedes
donde el agua ρ es la densidad del agua a la temperatura de medición (por ejemplo, es igual a 1 g cm -3 a 300 K). 14
- Medir la difusividad térmica de la muestra, d, utilizando la técnica láser-flash transitoria bajo una min -1 flujo de Ar 75 ml. Mida el espesorde la muestra, L, primero con precisión utilizando un micrómetro digital.
Nota: muestras paralelas de cara con diferentes tamaños y formas (por ejemplo, discos redondos de 12,7 mm de diámetro o cuadrado 10 x 10 mm 2 discos) y espesores entre 0,5 y 5 mm se puede medir fácilmente.- En la técnica de difusividad térmica por láser flash, irradiar una cara de la muestra por un corto (~ 1 mseg) pulso de láser y registrar el aumento de temperatura en la cara opuesta por un detector de infrarrojos. A continuación, calcular la difusividad térmica por el software de interfaz láser-flash desde el espesor de la muestra y el perfil de temperatura-tiempo de subida usando la ecuación de Parker 15
donde L es el espesor del disco y t medio es el tiempo de la mitad del aumento máximo de temperatura de la otra side de la muestra.
Nota: El modelo de Parker 15 asume condiciones ideales de muestra adiabático y calefacción pulso instantáneo, se han propuesto otros modelos lo largo de los años, que representan diversas pérdidas en la medición, tales como las pérdidas de calor, duración de pulso finito, calefacción de pulso no uniforme y no homogénea estructuras. Hemos utilizado el modelo Cowan 16 con corrección de pulso que es uno de los métodos más avanzados. Cabe señalar que a fin de maximizar la cantidad de energía térmica transmitida desde la superficie frontal y para maximizar la señal observada por el detector IR, las superficies de muestra deben ser altamente emisivo. Por lo general, esto requiere la aplicación de una fina capa de grafito a las superficies de la muestra. Existe una incertidumbre de 2% -5% en la medición de la difusividad térmica, derivada de la determinación de la dimensión. 17
- Cortar el pellet disco usando una sierra de diamante en barras rectangulares, 2 x 2 x 103 mm, conductividad eléctrica y mediciones del coeficiente de Seebeck, así como un disco cuadrado, 4 x 4 x 1,5 mm 3 para el calor específico de alta temperatura y una pieza rectangular delgada, 8 x 5 x 1 mm 3 para mediciones de Espera.
- Mida el calor específico, C p, de la muestra sobre la pieza cuadrada plana y pulido espejo (4 x 4 x 1,5 mm 3) utilizando una calorimetría diferencial de barrido (DSC) bajo flujo de argón. 18
- Utilice una velocidad de calentamiento de 5 K min -1 hasta 40 ° C para una retención isotérmica durante 10 minutos para permitir que la muestra alcance el equilibrio térmico seguido de 20 K min -1 tasa de calentamiento hasta 500 ° C, con una velocidad de enfriamiento exacta que siguió. Realizar la medición bajo el flujo de argón (50 ml min -1 se sugiere).
Nota: Debido a la sensibilidad del método utilizado para el análisis, realizar tres mediciones para determinar la capacidad calorífica incluyendo (1) una medición de línea base para restar el fondo, (2) la medición del calor específico de un material estándar (como zafiro) con un C P conocido, y (3) la medición del calor específico de la muestra. Asegúrese de que las muestras son planas y pulido espejo con el fin de hacer un contacto ideal, con el fondo del crisol de medición (sartenes Pt / Rh con Al 2 O 3 crisoles utilizados en este trabajo). Más detalles sobre la estructura exacta de la etapa de DSC, una comparación de las técnicas de DSC a los demás, y las instrucciones exactas para la medición de una muestra se pueden encontrar en varias fuentes. 19
- Calcular la conductividad térmica de alta temperatura, κ, de la muestra a partir de los valores medidos de la difusividad térmica, d, el calor específico, C P, y la densidad, ρ utilizando 20
/52869/52869eq4.JPG "Width =" 200 "/>
- Placa de oro los puntos de contacto sondas (4 contactos) en la pieza de 2 x 2 x 10 mm 3 cortado de la muestra para aliviar los problemas de resistencia de contacto.
- Con el fin de pulverización catódica de oro sólo en las zonas de contacto deseados, envolver un scotch-cinta alrededor de la muestra de 2 x 2 x 10 mm 3 para utilizar como plantilla. Deje el 2 x 2 mm 2 caras cubiertas ONU. Utilizando una hoja de afeitar, cortar 2 agujeros muy pequeños (aproximadamente 1 mm de diámetro) en el centro de la cara 2 x 10 mm 2 a lo largo de una línea separada por la distancia sondas.
- Pulverización catódica una película de oro ~ 200 nm de espesor utilizando una unidad de pulverización catódica de oro de sobremesa. 21
- Medir las propiedades de transporte eléctrico, a saber, la conductividad eléctrica y del coeficiente de Seebeck) de la muestra como una función de la temperatura 22,23.
- Medir la conductividad eléctrica usando el método de cuatro terminales. Mida el coeficiente Seebeck en el samconfiguración de correo utilizando las mediciones de la temperatura y la tensión a través de los dos termopares "sondas" medias. Mida la distancia entre estos dos sondas utilizando un microscopio digital. Más detalles sobre las mediciones de transporte eléctricos se pueden encontrar en otros lugares. 22,23
- Medir la concentración de portadores Hall como una función de la temperatura sobre la 8 x 5 x 1 mm 3 muestra utilizando un Sistema de Medición de las propiedades físicas. 24
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Patrones difracciones de rayos X se recogieron para los polvos como preparados y la cerámica a granel correspondientes en función de Pr-contenido (Figura 1) con el fin de estudiar el efecto de Pr-dopaje en el SrTiO3 celosía, solubilidad del Pr en SrTiO 3 y la formación de fase secundaria (s). Los patrones de confirmar la formación de SrTiO3 fase en todos los polvos como preparados donde las reflexiones pueden ser indexados a una red cúbica con grupo espacial (Figura 1A). El cambio monotónica en el parámetro de red indexada a partir de a = 3,906 para x = 0 (sin dopar) al aumentar el contenido Pr confirma la distorsión de la red tras la incorporación de pequeñas Pr 3+ iones en sitios Sr 2+. Reflexiones débiles también se observaron para x> 0,05, correspondiente a la fase de óxido de praseodimio intermedio (por ejemplo, Pr 5 O 9), que aumentan la intensidad con el aumento de la concentración nominal Pr (
Un estudio de la relación estructura-síntesis-propiedad se llevó a cabo con el fin de entender el efecto de la velocidad de calentamiento SPS y la fase secundaria observada en las propiedades de transporte electrónico. Micrografías electrónicas de exploración fueron adquiridos en conjunción con los espectros de rayos X de dispersión de energía para investigar el efecto de los parámetros de síntesis y de densificación, especialmente desencadenar velocidad de calentamiento de sinterización de plasma, en la morfología y la química de los granos y los límites de grano (Figura 2). Synthesis- relación (micro) estructura-propiedad fue investigado por el control de la temperatura de la dependencia de las propiedades de transporte electrónico de la cerámica a granel (Figura 2). Se encontró que la conductividad eléctrica puede ser significativos llevadosaumento de tly a través de la optimización de la velocidad de calentamiento SPS (Figura 2A). Esta mejora se atribuyó a una marcada mejora en la movilidad del portador desde que se obtienen valores de concentración de coeficiente de Seebeck y portadores similares para las muestras densifican bajo diferentes velocidades de calentamiento (Figura 2A, recuadro). Micrografías electrónicas de barrido han demostrado que el Pr-rico fase secundaria presente en el polvo como se ha preparado (Figura 2B, recuadro) puede dopar parcialmente la región de límite de grano durante el proceso de SPS (Figura 2B). Por la optimización apropiada de la velocidad de calentamiento SPS, la región de límite de grano puede ser completamente dopada con Pr, en cuyo caso se observa una mejora en la movilidad del portador (Figura 2C).
Propiedades electrónicas y térmicas de transporte de la cerámica a granel preparados con una alta velocidad de calentamiento SPS de 300 ° C min - 1 se midieron como una función of temperatura y el contenido de PR para el cálculo de la cifra termoeléctrica general de méritos (Figura 3). Todas las muestras exhiben un comportamiento semiconductor degenerado (es decir, metálicos similares) para la conductividad eléctrica (Figura 3A) y una thermopower difusivo-como correspondiente (Figura 3B). Factor de potencia termoeléctrica grande> 1 W m -1 K -1 se observó para la cerámica con x> 0.075 en un amplio rango de temperatura alcanzando un máximo de 1,3 W m -1 K -1 para x = 0,15, correspondiente a 3% en Pr ( Figura 3C). Simultáneamente, se observó una reducción monótona en la conductividad térmica con el aumento de Pr hasta x = 0,15 (Figura 3D). La concentración nominal Pr óptima se encontró que era x = 0,15 para estas muestras. 13 mejora de más del 30% en la figura termoeléctrica adimensional de mérito (ZT) para todo el rango de temperatura sobre toda m informado anteriormenteAximum valores se lograron como resultado de la mejora simultánea en el factor de potencia termoeléctrica y la reducción en la conductividad térmica (Figura 3E). 13 El valor máximo ZT de 0,35 se obtuvo a 500 ° C. Si las mediciones deben llevarse a cabo bajo una atmósfera altamente reductora, valores máximos ZT por encima de 0,6 se predicen a 1000 ° C ajustando los datos electrónicos de transporte y térmicas experimentales. La posibilidad de una mayor mejora del factor de potencia a estas temperaturas, y por lo tanto ZT también existe si la concentración de portadores puede aumentarse adicionalmente. 30
Figura 1. Perfiles de difracción de rayos X (A) de difracción de rayos X (DRX) Perfiles de Sr 1 -. X Pr x de TiO 3 - polvos δ antes de MSFcomo una función del contenido nominal Pr. (B) Vista ampliada del rectángulo de trazos en (a), (C) perfiles de DRX de Sr 1 - x Pr x de TiO 3 - δ con x = 0.075 antes de MSF (Polvo) y después de la alta tasa de calentamiento-SPS (cerámica a granel ). Se muestran fotografías de polvo prensado en frío después de la reacción de estado sólido y el correspondiente cerámica SPSed. (D) Vista ampliada del rectángulo de trazos en (C). Reproducido con permiso. 12. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Efecto de SPS velocidad de calentamiento. (A) Dependencia de la temperatura de la conductividad eléctrica y Seebeck coeficiente (recuadro) para Sr 1 - x Pr x de TiO 3 - cerámica con δ x = 0.075 procesados utilizando dos diferentes tipos de MSF de calentamiento de 100 ° C min - 1 y 300 ° C min - 1, respectivamente. (B) de electrones de retrodispersión (BSE) micrografía de la cerámica hecha bajo 100 ° C min - 1 MSF. Se muestra un espectro Pr típico de la exploración de línea EDS a través de una partícula y Pro. (C) micrografía electrónica de retrodispersión de la cerámica hecha bajo un ° C min 300 - 1 SPS velocidad de calentamiento. Un espectro Pr típico de línea de EDS escanear a través de dos granos, cereales y granos 1 2, se muestra. El recuadro muestra la micrografía de la EEB del Sr 0.95 La 0.05 de TiO 3 cerámica preparó siguiendo la misma receta. Reproducido con permiso. 12 pload / 52869 / 52869fig2highres.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. propiedades termoeléctricas de transporte. Dependencia de la temperatura de (A) la conductividad eléctrica (σ), (B) coeficiente de Seebeck (α), (C) del factor de potencia (definido como PF = α2σT), (D) y la conductividad térmica total (E ) figura de mérito ZT para Sr 1 - x Pr x de TiO 3 - δ cerámica como una función del contenido Pr. Dependencia de la temperatura de los valores ZT máximos reportados en la literatura que se muestra para la comparación. 2,25-28 Reproducido con permiso. 12,13_blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En este protocolo, hemos presentado los pasos de la estrategia de síntesis para preparar con éxito policristalinos mayor Pr dopado SrTiO3 cerámica que presenta mejores propiedades electrónicas y termoeléctricas. Las principales etapas del protocolo incluyen (i) la síntesis de estado sólido de la dopado SrTiO3 polvo en aire a presión atmosférica y (ii) tomar ventaja de las capacidades de la técnica de sinterización de plasma por chispa para densificar el polvo como preparado en alto densidad de la cerámica a granel y al mismo tiempo para dopar aún más los límites de grano de la muestra con Pr. Se demostró que mediante la aplicación de una alta velocidad de calentamiento SPS (300-400 ° C min -1) las reflexiones en los patrones de difracción de rayos X correspondientes a la fase secundaria (s) son completamente desaparecido (Figura 1C, D). La alta velocidad de calentamiento es una de las diferencias clave de esta estrategia de síntesis con los informes anteriores en la literatura. 17 completaincorporación de dopantes Pr en sitios Sr, que conducen a valores de concentración medidos portadora correspondiente al dopaje nominal valores 12, es uno de los principales logros de esta estrategia de síntesis. Como resultado, se observaron valores de concentración de portadores más alto para las muestras preparadas en este trabajo en comparación con los valores reportados en la literatura para las muestras preparadas utilizando otros métodos con mismas concentraciones de dopaje nominales. Tomando ventaja de la atmósfera altamente reductora de cámara de sinterización de plasma por chispa (matriz de grafito bajo vacío dinámico y alta velocidad de calentamiento) para reducir el polvo de óxido con el fin de crear vacantes de oxígeno como otra fuente de dopaje de electrones también se diferencia este protocolo de otras muestras reportados en la literatura preparado bajo Ar 29 o gas de formación (5-10% en H Ar) 29 atmósferas.
Además, se observó que mediante la aplicación de una alta velocidad de calentamiento SPS, fases secundarias, que son principalmenteóxido de praseodimio, puede dopar localmente las regiones de frontera de grano. Este dopaje no uniforme de las muestras de cerámica dio lugar a la observación de un marcado mejora inesperada en la movilidad del portador, factor de potencia termoeléctrica, así como una reducción significativa en la conductividad térmica total. Los datos experimentales sugieren que la mejora observada se correlaciona con la microestructura única de la cerámica y la presencia de regiones de contorno Pr-ricos. Tales límites no se observaron para el SrTiO 3 cerámica dopados con otros agentes de dopado tales como La (Figura 2C, inserción) o preparados con otros métodos de síntesis descritos en la literatura. Un estudio teórico reciente de Dawson y Tanaka intenta explicar esta observación SrTiO3 límites de grano (es decir, ¿por qué Pr-dopaje induce la formación de núcleo-corteza y La dopaje no) mediante la investigación de la estructura y la energética de Pr- y local La dopados- . 30 Sus cálculos muestran una medida de stronger beneficio energético para Pr-dopaje de los límites de grano que La-dopaje. Dado que los resultados electrónicos de transporte no podían ser explicadas por la teoría medio efectivo, 12 se cree que un mecanismo de transferencia de carga es probable que participen en la mejora movilidad del portador.
Los resultados demuestran que la estrategia se puede aplicar como un método para sintetizar in situ en estructuras compuestas en particular de la estructura de tipo núcleo-cáscara. Sin embargo, la eficiencia del dopaje no uniforme depende de la naturaleza de las fases constituyentes del material compuesto. Este método está limitado por el punto de las fases presentes en el material de fusión. Las altas tasas de calentamiento de 300 a 400 ° C min-1 puede fundir localmente el material bajo presión mecánica y, o bien romper la muestra o cambiar las propiedades. Por lo tanto, este protocolo es una buena estrategia de síntesis para ser aplicado a otros óxidos debido a su estabilidad a alta temperatura. La precaución debe ser exercnizado cuando se aplica el método a otros materiales termoeléctricos. Las condiciones de la técnica de sinterización de plasma por chispa necesitan ser optimizado antes de aplicar la estrategia a otros sistemas de materiales. Cabe señalar que debido a las altas velocidades de calentamiento aplicadas, se espera un crecimiento de grano significativo si la parte densificación del protocolo se emplea en polvos nanosctructured.
El trabajo futuro para modificar el protocolo actual con el fin de mejorar aún más las propiedades termoeléctricas se centrará en la optimización simultánea del efecto de la carga mecánica (60 MPa en este protocolo), la temperatura de remojo SPS, y el tiempo de remojo para reducir aún más la conductividad térmica , mejorar el factor de potencia, y para mejorar la tasa de éxito de la preparación de muestras libre de grietas.
En conclusión, hemos demostrado el enfoque de síntesis para la preparación de policristalinos mayor Pr dopado SrTiO3 cerámica con Pr-rica boundarie granos exhibiendo significativamente mejoradas propiedades electrónicas y termoeléctricas. La estrategia de síntesis utilizada en este trabajo puede abrir nuevos horizontes y oportunidades para otras propiedades y aplicaciones de esta perovskita ampliamente funcional donde se desea la movilidad del portador superior. Además, la ingeniería de límite de grano utilizando sinterización de plasma por chispa demostrado en este trabajo puede ser implementado en otros materiales de óxido para modificar las propiedades físicas.
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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wang, N., et al. Effects of YSZ Additions on Thermoelectric Properties of Nb-Doped Strontium Titanate. J. Electron. Mater. 39, 1777-1781 (2010).
- Muta, H., Kurosaki, K., Yamanaka, S. Thermoelectric Properties of Rare Earth Doped SrTiO3. J. Alloys Compd. 350, 292-295 (2003).
- 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).
- Wang, Y., Fan, H. J. Sr1-xLaxTiO3 Nanoparticles: Synthesis, Characterization and Enhanced Thermoelectric Response. Scripta Materialia. 65, 190-193 (2011).
- 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).
- Obara, H., et al. Thermoelectric Properties of Y-Doped Polycrystalline SrTiO3.Jpn. J. Appl. Phys. 43, L540-L542 (2004).
- Koumoto, K., Wang, Y., Zhang, R., Kosuga, A., Funahashi, R. Oxide Thermoelectric Materials: A Nanostructuring Approach. Annu. Rev. Mater. Res. 40, 363-394 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cowan, R. D. Pulse Method of Measuring Thermal Diffusivity at High Temperatures. J. Appl. Phys. 34, 926-927 (1963).
- 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).
- DSC Pegasus 404C Operating Manual. , Netzsch GmbH. Selb, Germany. (1999).
- Daw, J. E. Measurement of Specific Heat Capacity Using Differential Scanning Calorimeter. Report of US Department of Energy. , Idaho National Laboratory. (2008).
- Tritt, T. M. Thermal Conductivity: Theory, Properties and Applications. , Kluwer Academic. (2004).
- SC7610 Sputter Coater Operating Manual. , Quorum Technologies Ltd. East Sussex, England. Available from: http://www.quorumtech.com/pdf/productOperatingManuals/SC7610_Operating_Manual.pdf (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ohta, S., Ohta, H. Grain Size Dependence of Thermoelectric Performance of Nb-doped SrTiO3. Polycrystals. J. Ceram. Soc. Jpn. 114, 102 (2006).
- 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).
- Ohta, S., et al. Large Thermoelectric Performance of Heavily Nb-doped SrTiO3 Epitaxial Film at High Temperature. Appl. Phys. Lett. 87, 092108 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
