Introduction
Oxide thermo visade sig vara lovande kandidater för hög temperatur termo applikationer, från stabilitet och kostnadsperspektiv till elektroniska transportegenskaper. Bland n-typ oxid thermo har högdopat strontiumtitanat (STO) väckte stor uppmärksamhet på grund av dess spännande elektroniska egenskaper. Men en stor total värmeledningsförmåga (κ ~ 12 W m -1 K -1 vid 300 K för enkristaller) 1 och en låg bärarrörlighet (μ ~ 6 cm 2 V -1 s -1 vid 300 K för enkristaller) 1 skadligt påverka termo prestanda som utvärderas av en dimensionsgodhetstal, ZT = α 2 σT / κ, där α är Seebeck koefficient, σ den elektriska ledningsförmågan, T är den absoluta temperaturen i Kelvin, och κ den totala värmeledningsförmåga. Vi definierar häri täljaren som effektfaktorn, PF = α 263, T. För att detta oxidtermoelektriskt material för att konkurrera med andra thermo hög temperatur (t.ex. SiGe legeringar), är en mer uttalad ökning av effektfaktor och / eller minskning av gitter värmeledningsförmåga krävs.
De flesta av de experimentella studier i syfte att förbättra termoelektriska egenskaperna hos STO har främst fokuserat på att minska värmeledningsförmågan genom drag fältet och mass fluktuationer spridning av fononer. Dessa försök inkluderar: (i) En- eller dubbel dopning av Sr 2+ och / eller Ti 4+ platser, som de viktigaste insatserna med avseende på denna riktning, 2,3 (ii) Syntes av naturliga supergitter Ruddlesden-Popper strukturer för att ytterligare minska värmeledningsförmågan genom isolerande sro skikt, 4 och (iii) komposit teknik genom tillsats av en nanostorlek andra fas. 5 Emellertid, fram till nyligen, ingen förstärkning strategi har rapporterats substantially öka den termoelektriska effektfaktorn i dessa oxider. De rapporterade maximala effektfaktor (PF) värden i bulk enkel- och poly-kristallina STO har begränsats till en övre gräns på PF <1,0 W m -1 K -1.
En mängd olika syntesmetoder och bearbetningstekniker har använts för att genomföra idéerna försökt ovan. Pulver syntetiseringsmetoder inkluderar konventionell solid-state reaktion 6 sol-gel, 7 hydrotermisk, 8 och förbränningssyntes, 9 medan konventionell sintring, 6 varmpressning 10 och nyligen gnista plasma sintring 12 är bland de vanligaste tekniker som används för att förtäta pulvren i bulk keramik. Men för en liknande dopnings (t.ex. La) och dopningskoncentration, de resulterande bulk keramik uppvisar en rad elektroniska och termiska transportegenskaper. Detta är i stort på grund av den starkt processberoende fel kemi SrTiOa <sub> 3, vilket resulterar i syntes beroende egenskaper. Det finns bara en handfull rapporter optimera syntes och processparametrar för att gynna termotransporter. Det är värt att nämna att på grund av den mycket lilla phonon innebära fri väg i SrTiOa 3 (l ph ~ 2 nm vid 300 K), är 11 nanostrukturering inte ett hållbart alternativ för förbättring av TE prestanda bulk STO keramik främst genom att minska av gittervärmeledningsförmåga.
Nyligen rapporterade vi mer än 30% förbättring av termogodhetstalet i ojämnt Pr-dopade SrTiOa 3 keramik som härrör från en samtidigt förbättrad termoeffektfaktor och minskad värmeledningsförmåga. 12,13 I denna detaljerade video protokoll, presenterar vi och diskutera stegen i vår syntes strategi för framställning av dessa Pr-dopade STO keramik som uppvisar förbättrade elektroniska och termoelektriska egenskaper.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Framställning av Pr-dopad SrTiOa 3 Powder
- För att förbereda 10 g Sr 0,95 Pr 0,05 TiO 3 pulver, väga stökiometriska mängder av SrCO 3 pulver (7,53407 g), TiO 2 nano (4,28983 g), och Pr 2 O 3 sintrade klump (0,44299 g) efter reaktion för x = 0,05:
- Slipa vägda Pr 2 O 3 sintrade klumpar till fina partiklar med hjälp av en agat mortel.
- Lägg den vägda SrCO 3 pulver och TiO 2 nano till Pr 2 O 3 och fortsätta malning och blandning med hjälp av en agat mortel tills en visuellt homogen pulver uppnås.
- Fyll på malda pulvret i en glasburk och blanda med användning av en turbulator för 30 min för att homogenisera ee blandningen.
- Fyll den resulterande blandade pulvret i en noggrant rengöras och polerat rostfritt stål dö (1 tum i diameter) och smörgås det mellan två kolvar i rostfritt stål.
- Kallpress pulvret med användning av en press enligt en ca 1 ton last.
- Mata ut kallpressad pellet genom att placera formen på en urholkad cylinder av rostfritt stål och driver kolvarna och pelleten ut från toppen med hjälp av en tryckstång. Vid utstötning av kallpressad pellet (grönkropp) från munstycket, rengöra någon kontamination på omkretsytan av pelleten genom att försiktigt täcka pelleten med en liten bit av Scotch-tejp och avlägsna ett tunt skikt genom att slita loss tejpen.
- Placera pelleten vertikalt i en aluminium båt fylld med kommersiellt köpte SrTiOa 3 pulver som barriär mellan aluminium båten och kallpressning pelleten.
- Placera båten i en rörugn, värme upp till 1300 ° C i 3 h och håll den vid denna temperatur under 15h. Låt pelleten svalna till RT inuti ugnen när kalcineringen är över. Detta steg hänvisas till som den "kalcineringsprocessen" därefter.
- Mala pelleten med användning av agat mortel och ladda det resulterande pulvret i en glasburk för ytterligare blandning med användning turbulatorn.
- Fyll på pulvret i rostfritt formstål och kallt pressas under en ca 3 ton last.
- Upprepa steg 1,9 ytterligare en gång vid 1400 ° C i 3 timmar och hålla den vid denna temperatur under 20 timmar.
- Mala pelleten med användning av agat mortel och mortelstöt.
- Upprepa steg 1,11, 1,12, och 1,13 en mer tid för den reaktion i fast tillstånd för att nå fullbordan.
2. Beredning av Bulk Polykristallina Pr-dopad SrTiOa 3 Keramiska
- Väg 1,6 g av så förberedda pulver (för en skiva 2 mm tjock och 12,7 mm i diameter).
- Förbered cirkulära Graphoil bitar för att täcka den övre och nedre integrerface av de mellanliggande pulver och grafitkolvar i grafitform. Också förbereda en annan rektangulär Graphoil stycke för att täcka den inre väggen av grafitform.
- Fyll på så förberedda pulver i en grafitform (12,7 mm i innerdiameter) och smörgås pulvret mellan två grafitkolvar av samma storlek. Borra ett 2 mm hål i mitten av längden av den grafitform och från den yttre ytan av formen till ca 2 mm från den inre ytan för temperaturavläsning.
Obs! Justera längden på grafitkolvar kvar utanför munstycket och placera mitten av inklämt pulvercylindern där hålet är bäst lämpad att få en korrekt temperaturavläsning. Ansiktena på grafit kolvar måste noggrant jämnas under bearbetningen av bitarna. Varje felinriktning kan resultera i sprickbildning i den sintrade pelleten under tändplasma sintring. - Kall tryck pulvret försiktigt (belastning <200 kg) med hjälp av en press före montering på tändplasma sintring plattan inne i kammaren. Använd platta polerade stöd rostfritt stål plattor mellan topp- och botten kolvar och pressen scenen för att undvika skador på grafit kolvarna.
- Linda en bit grafit kände runt formen för isolering och säkra den med grafit garn. Utforma ett fönster på grafitfilt genom att skära en rektangulär bit av filten där den uppmätta temperaturen hålet placeras på dynan.
- Placera den laddade grafitform och kolvar i tändplasmasintringskammaren. Flytta scenen till den slutliga positionen.
- Fokus och rikta in Pyrometer målcirkeln på den uppmätta temperaturen hålet i munstycket. Se till emissivitet inställning av pyrometem är inställd för grafit.
- Stäng kammaren och sätta en 7,7 kN belastning (ca 60 MPa) på provet. Vakuum och rensa kammaren med Ar tre gånger och lämna kammaren under dynamiskt vakuum av 6 Pa.
- Öka temperaturen genom att öka strömmen (manuellt eller med hjälp av enprogrammet). Använd 250 A min -1 (motsvarande cirka 300-400 ° C min -1) för optimerade prover. Detta är det viktigaste steget av tändplasmasintringsprocessen.
- Håll temperaturen vid 1500 ° C under 5 minuter genom att manuellt justera strömmen eller använder programmet. Vid slutet av 5 min innehavstid, stäng av strömmen och snabbt frigöra 7,7 kN belastning för att undvika sprickbildning provet under nedkylning. Låt provet svalna till RT inne i kammaren.
- Släpp bulk pelleten från grafit dö försiktigt med hjälp av kallpress. Detta görs genom att placera grafitform på en urholkad stålcylinder och utstötning av pelleten och grafitkolvar med användning av en ståltryckstaven från toppen.
- Avlägsna Graphoil på topp- och bottenytorna hos pelleten liksom omkretsytan med användning av ett skarpt rakblad.
- Polska provet med en grov sandpapper (400 galler) ner för 0,3-0,5 mm från varje sida för att försäkrafullständigt avlägsnande av Graphoil. Rengör provet med aceton.
3. karakterisering av elektroniska och termisk transportegenskaper Bulk Keramik
- Bestämma densiteten hos den keramiska skivan, ρ, med användning av Arkimedes metod.
- Mäta vikten av provet, W torr, och därefter vikten av provet nedsänkt i vatten, W våt, på ett stabiliserat system för densitetsmätning och beräkna Arkimedes densitet från
där ρ vatten är densiteten för vatten vid mättemperaturen (t.ex. lika med en g cm -3 vid 300 K). 14
- Mät värmediffusionsförmåga av provet, d, med hjälp av övergående laserblixtteknik under ett 75 ml min -1 flöde av Ar. Mäta tjocklekenav provet, L, noggrant först med hjälp av en digital mikrometer.
Obs: Parallell belagda prover med olika storlekar och former (t.ex. runda skivor 12,7 mm i diameter eller kvadrat 10 x 10 mm 2 skivor) och tjocklekar mellan 0,5 och 5 mm kan lätt mätas.- I laserblixt värmediffusionsförmåga teknik, bestråla en yta av provet genom en kort (~ 1 msek) laserpuls och registrera temperaturstegringen på den motsatta ytan av en infraröd detektor. Sedan beräknar värmediffusionsförmåga av lasern-flash gränssnitt programvara från tjockleken på provet och temperaturstegringen-tidsprofilen med hjälp av Parkers ekvation 15
där L är tjockleken hos skivan och t 1/2 är den halv-tiden för den maximala ökningen av den andra-temperaturenide av provet.
Obs: Parker modell 15 förutsätter ideala förhållanden för adiabatisk prov och momentan pulsvärme, andra modeller har föreslagits genom åren, som står för olika förluster i mätningen, såsom värmeförluster, ändlig pulslängd, icke-enhetlig pulsvärme och icke-homogen strukturer. Vi har använt Cowan modell 16 med pulskorrektions som är en av de mest avancerade metoder. Det bör noteras att för att maximera mängden värmeenergi som överförs från den främre ytan och att maximera signal observeras av IR-detektorn, måste provytorna vara mycket emissiva. Vanligtvis kräver tillämpning av en tunn beläggning av grafit till provytorna. En osäkerhet på 2% -5% vid mätning av värmediffusionsförmågan finns, till följd av fastställandet av dimensionen. 17
- Skär skivan pellets med hjälp av en diamantsåg i rektangulära barer, 2 x 2 x 10mm 3, elektrisk konduktivitet och Seebeck koefficientmätningar samt en fyrkantig skiva, 4 x 4 x 1,5 mm 3 för hög temperatur specifika värme och en tunn rektangulär bit, 8 x 5 x 1 mm 3 för Hall-mätningar.
- Mät det specifika värmet, Cp, för provet på platt och spegel-polerad fyrkantig bit (4 x 4 x 1,5 mm 3) med användning av en differentiell svepkalorimetri (DSC) under argonflöde. 18
- Använd en uppvärmningshastighet av 5 Kmin -1 upp till 40 ° C i en isotermisk håll under 10 minuter för att tillåta provet att nå termisk jämvikt, följt av 20 Kmin -1 upphettningshastighet på upp till 500 ° C, med ett exakt kylningshastighet som följde. Utför mätningen enligt flödet av argon (50 ml min -1 föreslås).
OBS: På grund av känsligheten hos den metod som används för analys, genomföra tre mätningar för att bestämma värmekapacitet inklusive (1) en baslinje mätning för att subtrahera bakgrunden, (2) mätning av det specifika värmet för ett standardmaterial (såsom safir) med en känd Cp, och (3) mätning av den specifika värmen av provet. Se till att proverna är platt och spegelpole för att göra en perfekt kontakt med botten av mätningen degeln (Pt / Rh kokkärl med Al 2 O 3 deglar som används i detta arbete). Mer information om den exakta strukturen av DSC skede kan hittas en jämförelse av DSC tekniker till andra, och exakta instruktioner för att mäta ett prov i olika källor. 19
- Beräkna hög temperatur värmeledningsförmåga, κ, av provet från de uppmätta värdena för termisk diffusivitet, d, det specifika värmet, Cp, och densiteten, ρ användning 20
/52869/52869eq4.JPG "Width =" 200 "/>
- Guldplätering sondema kontaktpunkterna (4 kontakter) på 2 x 2 x 10 mm 3 bit skuren från provet för att lindra kontaktresistansen frågor.
- För att förstofta guld endast på de önskade kontaktytorna, linda en scotch-tejp runt 2 x 2 x 10 mm 3 prov för att använda som en stencil. Låt 2 x 2 mm 2 ansikten un-täckt. Med användning av ett rakblad, skär ut två mycket små hål (ca 1 mm i diameter) i mitten av den 2 x 10 mm 2 yta längs en linje åtskilda av prober avstånd.
- Spotta en ~ 200 nm tjock guldfilm med hjälp av en bänk-top guld sputtering enhet. 21
- Mät de elektriska transportegenskaper, nämligen den elektriska ledningsförmågan och Seebeck koefficient) av provet som en funktion av temperatur 22,23.
- Mät elektrisk ledningsförmåga med användning av fyra-terminala metod. Mät Seebeck koefficient på same inställning med hjälp av mätningar av temperatur och spänning via de två mellersta termo "prober". Mät avståndet mellan dessa två prober med en digital mikroskop. Mer information om de elektriska mätningarna transport kan hittas någon annanstans. 22,23
- Mät Hall bärarkoncentration som en funktion av temperaturen på 8 x 5 x 1 mm 3 prov med hjälp av en fysikaliska egenskaper System. 24
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
X-ray diffraktioner mönster samlades för så förberedda pulver och motsvarande bulk keramik som en funktion av Pr-innehåll (Figur 1) för att studera effekten av Pr-dopning på SrTiOa 3 gitter, löslighet Pr i SrTiOa 3 och bildandet av sekundär fas (er). Mönstren bekräftar bildningen av SrTiOa 3 fas i alla som-beredda pulvren där kan indexeras till ett kubiskt gitter med rymdgruppen (Figur 1A) reflektion. Den monoton förändring i den indexerade gitterparametern från a = 3,906 för x = 0 (odopad) med ökande Pr innehåll bekräftar snedvridning av gallret vid inkorporering av mindre Pr 3+ joner i SR 2 + platser. Svaga reflektioner observerades också för x> 0,05, vilket motsvarar den mellanliggande praseodym oxidfasen (t.ex. Pr 5 O 9), som ökar intensiteten med ökande nominell Pr koncentration (
En syntes-struktur-fastighet relation Studien genomfördes för att förstå effekten av SPS uppvärmningshastighet och den observerade sekundära fasen på de elektroniska transportegenskaper. Svepelektronmikrofotografier förvärvades i samband med energispridande röntgenspektra för att undersöka effekten av syntesen och förtätningsparametrarna, särskilt gnista uppvärmningshastighet plasma sintring, på morfologin och kemin av kornen och korngränserna (Figur 2). Synthesis- (mikro) struktur-fastigheten förhållande undersöktes genom att övervaka temperaturberoende elektroniska transportegenskaper bulk keramik (Figur 2). Det visade sig att den elektriska ledningsförmågan kan vara significantly ökas genom optimering av SPS uppvärmningshastighet (Figur 2A). Förbättringen hänfördes till en markant förbättring i bärarrörligheten sedan erhölls koncentrationsvärden liknande Seebeck koefficient och bärare för prover förtätade under olika uppvärmningshastigheter (Figur 2A, infälld). Svepelektronmikrofotografier har visat att Pr-rika sekundärfasen är närvarande i så framställda pulvret (Figur 2B, inlägg) partiellt kan dopa korngränsområdet under SPS-processen (figur 2B). Genom lämplig optimering av SPS uppvärmningshastighet, kan korngränsregionen vara fullt dopad med Pr, i vilket fall en förbättring i bäraren rörlighet observeras (figur 2C).
Elektroniska och termiska transportegenskaper bulk keramer framställda med en hög SPS upphettningshastighet av 300 ° C min - 1 mättes som en funktion of temperatur och Pr innehåll för att beräkna den totala termogodhetstal (Figur 3). Alla prover uppvisar en degenererad halvledande beteende (dvs., metalliknande) för elektrisk ledningsförmåga (figur 3A) och en motsvarande diffusiv liknande thermopower (figur 3B). Stor termoeffektfaktor> 1 W m -1 K -1 observerades för keramer som x> 0,075 i ett brett temperaturområde och når ett maximum av 1,3 W m -1 K -1 för x = 0,15, vilket motsvarar 3 atom-% Pr ( Figur 3C). Samtidigt genomfördes en monoton minskning av värmeledningsförmåga observeras med ökande Pr upp till x = 0,15 (Figur 3D). Den optimala nominella Pr koncentrationen befanns vara x = 0,15 för dessa prover. 13 Mer än 30% förbättring av dimensionstermogodhetstal (ZT) för hela temperaturområdet över alla tidigare rapporterade mAximum värden uppnåddes som ett resultat av den samtidiga förbättringen i termoelektriska effektfaktor och minskning av värmeledningsförmågan (figur 3E). 13 Maximal ZT värde av 0,35 erhölls vid 500 ° C. Om mätningarna ska utföras under en mycket reducerande atmosfär, är högsta ZT värden över 0,6 förutspått vid 1000 ° C genom att montera de experimentella elektroniska och termiska transportdata. Möjligheten att ytterligare förbättring av effektfaktor vid dessa temperaturer, och därmed ZT finns även om bärarkoncentrationen kan ökas ytterligare. 30
Figur 1. Röntgendiffraktion profiler (A) röntgendiffraktion (XRD) profiler av Sr 1 -. X Pr x TiOj 3 - δ pulver före SPSsom en funktion av nominell Pr innehåll. (B) Förstorad bild av den streckade rektangeln i (a), (C) XRD profiler av Sr 1 - x Pr x TiOj 3 - δ med x = 0,075 innan SPS (pulver) och efter hög upphettningshastighet SPS (bulk Ceramic ). Fotografier av kallpressad pulvret efter solid-state-reaktion och den motsvarande SPSed keramiska visas. (D) Förstorad bild av den streckade rektangeln i (C). Återges med tillstånd. 12. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Effekt av SPS uppvärmningshastighet. (A) beroende av elektrisk ledningsförmåga och Seebeck Temperatur koefficient (infälld) för Sr 1 - x Pr x TiOj 3 - δ keramik med x = 0,075 bearbetas med två olika SPS uppvärmningshastigheter på 100 ° C min - 1 och 300 ° C min - 1, respektive. (B) bakåtspridda elektron (BSE) mikroskopbild av den keramiska gjort under 100 ° C min - 1 SPS. En typisk Pr-spektrum av EDS linjeavsökningen över en PrO y partikel visas. (C) backscattered elektronmikroskopbild av den keramiska gjorts enligt en 300 ° C min - 1 SPS uppvärmningshastighet. En typisk Pr spektrum av EDS linje svepa över två kärnor, korn 1 och spannmål 2, visas. Insatsen visar BSE mikroskop av Sr 0,95 La 0,05 TiO 3 keramiska ställdes enligt samma recept. Återges med tillstånd. 12 pload / 52869 / 52869fig2highres.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Termotransportegenskaper. Beroende av (A) elektrisk ledningsförmåga (σ) Temperatur, (B) Seebeck koefficient (α), (C) effektfaktor (definierat som PF = α2σT), (D) totalt värmeledningsförmåga och (E ) siffra-of-merit, ZT för Sr 1 - x Pr x TiOj 3 - δ keramik som en funktion av Pr innehåll. Beroende av rapporterade maximala ZT värden i litteraturen Temperaturen visas för jämförelse. 2,25-28 Reproducerad med tillstånd. 12,13_blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I detta protokoll, har vi presenterat stegen i syntesstrategi för att framgångsrikt förbereda mass polykristallina Pr-dopade SrTiOa 3 keramik som uppvisar förbättrade elektroniska och termoelektriska egenskaper. De viktigaste stegen i protokollet inkluderar (i) solid-state syntes av den dopade SrTiOa 3 pulver i luft under atmosfärstryck och (ii) att dra nytta av kapaciteten hos gnista plasma sintring teknik för att förtäta som förberedda pulver i hög densitet bulk keramik och samtidigt att ytterligare dopa korngränserna av provet med Pr. Det visades att genom att applicera en hög SPS uppvärmningshastighet (300-400 ° C min -1) de reflektioner i röntgen diffraktionsmönster som motsvarar den sekundära fasen (faserna) är helt försvunnit (Figur 1C, D). Den höga uppvärmningshastighet är en av de viktigaste skillnaderna i denna syntes strategi med tidigare rapporter i litteraturen. 17 Komplettinkorporering av Pr dopningsmedel i SR platser, som leder till uppmätta bärare koncentrationsvärden som motsvarar den nominella dopning värden 12, är en av de viktigaste prestationer av denna syntes strategi. Som ett resultat var koncentrationsvärden högre carrier observeras för de prover som framställdes i detta arbete jämför med de värden som rapporterats i litteraturen för proverna framställda med användning av andra metoder med samma nominella dopningskoncentrationer. Dra nytta av den mycket reducerande atmosfär gnista plasma sintring kammare (grafitform under dynamiskt vakuum och hög uppvärmningshastighet) för att minska oxidpulver för att skapa syre vakanser som en annan källa till elektron dopning också skiljer detta protokoll från andra prover som redovisas i litteraturen framställts under Ar 29 eller bildar gas (5-10% H i Ar) 29 atmosfärer.
Vidare observerades det att genom att applicera en hög SPS upphettningshastighet, sekundära faser, vilka är huvudsakligenpraseodym oxid, kan lokalt dopa korngränsområdena. Denna icke-likformig dopning av de keramiska prover resulterade i observationen av en oväntad markant förbättring i bäraren rörlighet, termoeffektfaktor samt en betydande minskning av den totala värmeledningsförmågan. De experimentella data som tyder på att den observerade förbättringen är korrelerad till den unika mikrostrukturen hos keramiken och närvaron av Pr-rika gränsområdena. Sådana gränser observerades inte för SrTiOa 3 keramik dopade med andra dopningsmedel som La (Figur 2C, infälld) eller iordningställda med andra syntesmetoder som rapporterats i litteraturen. En ny teoretisk studie av Dawson och Tanaka försöker förklara denna observation (dvs, varför Pr-dopning inducerar kärnskalbildning och La-dopning inte) genom att undersöka den lokala strukturen och energier av PR-och La-dopade SrTiOa 3 korngränser . 30 Deras beräkningar visar en långt stronger energisk fördel för Pr-dopning av korngränser än La-dopning. Eftersom de elektroniska transport resultaten inte kan förklaras av effektivt medium teori, 12 anses det att en laddningsöverföringsmekanism är sannolikt att vara inblandade i bärarrörligheten förbättring.
Resultaten visar att strategin kan tillämpas som en metod för att syntetisera in situ kompositstrukturer särskilt av den typ som strukturen kärna-skal. Emellertid, effektiviteten i den icke-likformig dopning beror på naturen av de ingående faserna i kompositen. Denna metod begränsas av smältpunkten av faserna är närvarande i materialet. Höga uppvärmningshastigheter på 300-400 ° C min -1 kan lokalt smälta materialet under mekaniskt tryck och antingen spricka provet eller ändra egenskaperna. Därför är detta protokoll ett bra syntes strategi som skall genomföras för att andra oxider på grund av deras höga temperatur stabilitet. Försiktighet bör vara Exerctecknas när metoden tillämpas på andra termoelektriska material. Villkoren för gnista plasma sintring teknik måste optimeras innan du använder den strategi för andra materialsystem. Det bör noteras att på grund av de höga uppvärmningssatserna är betydande korntillväxt förväntas om förtätning del av protokollet används på nanosctructured pulver.
Framtida arbete för att ändra det nuvarande protokollet för att ytterligare förbättra de termoelektriska egenskaper kommer att fokusera på den samtidiga optimering av effekten av mekanisk belastning (60 MPa i detta protokoll), SPS värmningstemperatur och hålltid för att ytterligare minska värmeledningsförmåga , förbättra effektfaktorn, och att förbättra resultaten av framställningen av crack fria prover.
Sammanfattningsvis har vi visat syntestillvägagångssättet för framställning av bulk polykristallina Pr-dopade SrTiOa 3 keramik med Pr-rika korn boundaries uppvisar väsentligt förbättrade elektroniska och termoelektriska egenskaper. Den syntesstrategi som används i detta arbete kan öppna nya horisonter och möjligheter till andra egenskaper och tillämpningar av denna i stort sett funktionell perovskit där högre bärarrörlighet önskas. Vidare kan korngränsteknik med användning av tändplasma sintring demonstreras i detta arbete implementeras i andra oxidmaterial för att modifiera de fysikaliska egenskaperna.
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).
