Login processing...

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

Chemistry

Synthese van niet-uniforme Pr gedoteerde SrTiO doi: 10.3791/52869 Published: August 15, 2015

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Oxide thermo werden getoond aan veelbelovende kandidaten voor hoge-temperatuur thermo-toepassingen, van de stabiliteit en de kosten perspectieven op elektronische transport eigenschappen zijn. Bij de n-type oxide thermo heeft gedoteerde strontiumtitanaat (STO) veel aandacht getrokken vanwege zijn intrigerende elektronische eigenschappen. Een groot totaal thermisch geleidingsvermogen (κ ~ 12 W m -1 K -1 bij 300 K voor éénkristallen) 1 en een lage mobiliteit carrier (μ ~ 6 cm 2 V -1 s -1 bij 300 K voor éénkristallen) 1 nadelige invloed hebben op de thermo-elektrische prestaties die wordt beoordeeld door een dimensieloos getal van verdienste, ZT = α 2 σT / κ, waarbij α is de Seebeck-coëfficiënt, σ de elektrische geleidbaarheid, T de absolute temperatuur in Kelvin, en κ de totale thermische geleidbaarheid. We hierin de teller als de power factor te definiëren, PF = α 263, T. Om dit oxide thermo materiaal concurreren met andere hoge-temperatuur thermo (zoals SiGe legeringen), een meer uitgesproken toename van de arbeidsfactor en / of afname rooster warmtegeleidbaarheid vereist.

De meeste experimentele studies om de thermo eigenschappen van STO verbeteren, zijn voornamelijk gericht op de reductie van thermische geleidbaarheid met stam-veld en massa fluctuatie verstrooiing van fononen. Deze pogingen omvatten: (i) Enkel- of dubbel-dotering van het Sr 2+ en / of Ti 4+ plaatsen als belangrijkste inspanningen ten opzichte van deze richting, 2,3- (ii) Synthese van natuurlijke superrooster Ruddlesden-Popper structuren teneinde de thermische geleidbaarheid verder verminderen door isolerende lagen SrO, 4 en (iii) Samenstelling techniek door toevoeging van een tweede fase nanosized echter. 5, tot voor kort geen verhoging strategie is beschreven dat substantially verhoging van de thermo-elektrische factor in deze oxiden. De gemelde maximale power factor (PF) waarden in bulk single- en poly-kristallijne STO zijn beperkt tot een bovengrens van PF <1,0 W m -1 K -1.

Verschillende synthesemethoden en verwerkingstechnieken werden toegepast om de bovenstaande ideeën poging voeren. Het poeder syntheseroutes omvatten conventionele solid-state reactie, 6 sol-gel, hydrothermale 7, 8 en verbranding synthese, 9 terwijl conventionele sinteren, 6 heet persen 10 en recent ontstekingsplasma sintering 12 behoren tot de gemeenschappelijke technieken die worden gebruikt om de poeders verdichten in bulk keramiek. Voor eenzelfde doteerstof (bijvoorbeeld La) en doteringsconcentratie, de verkregen massieve keramische materialen vertonen een reeks elektronische en thermische transporteigenschappen. Dit is in grote door de sterk procesafhankelijke defectchemie van SrTiO <sub> 3 die resulteert in synthese-afhankelijke eigenschappen. Er is slechts een handvol van de verslagen het optimaliseren van de parameters synthese en verwerking thermo verkeerssector. Vermeldenswaardig is dat te wijten aan de zeer kleine phonon gemiddelde vrije pad in SrTiO 3 (l ph ~ 2 nm bij 300 K) waard, 11 nanostructurering is geen haalbare optie voor de verbetering van de TE prestaties van bulk STO keramiek voornamelijk door de vermindering van het rooster warmtegeleidingsvermogen.

Recent rapporteerden we meer dan 30% verbetering van de thermo kwaliteitsfactor in ongelijkmatig Pr gedoteerde SrTiO 3 keramiek afkomstig van een gelijktijdig verbeterde thermo vermogensfactor en verminderde thermische geleidbaarheid. 12-13 In deze gedetailleerde videoprotocol, presenteren wij en bespreken de stappen van onze synthese strategie voor de voorbereiding van deze Pr-gedoteerde STO keramiek tentoonstellen betere elektronische en thermo-elektrische eigenschappen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Voorbereiding van de Pr-gedoteerde SrTiO 3 Powder

  1. Om 10 g Sr 0,95 Pr 0,05 TiO 3 poeder te bereiden, weeg de stoichiometrische hoeveelheid srco 3 poeder (7,53407 g), TiO 2 nanopoeders (4,28983 g), en Pr 2 O 3 gesinterde lump (0,44299 g) volgens het reactieschema voor x = 0.05:

Vergelijking 1

  1. Maal de gewogen Pr 2 O 3 gesinterde brokken tot fijne deeltjes met behulp van een agaat mortier en stamper.
  2. Voeg de gewogen srco 3 poeder en TiO 2 nanopowder aan de Pr 2 O 3 en blijven malen en mengen met behulp van een agaat mortier en stamper tot een visueel homogeen poeder wordt bereikt.
  3. Laad de grond poeder in een glazen pot en meng met een turbulator gedurende 30 min te ste homogeniserene mengsel.
  4. Laad de resulterende gemengde poeder in een zorgvuldig gereinigd en gepolijst roestvrij staal sterven (1 inch in diameter) en sandwich het tussen twee roestvrijstalen zuigers.
  5. Koude pers het poeder met behulp van een pers onder een ongeveer 1 ton lading.
  6. Werp de koud geperste pellet door het plaatsen van de dobbelsteen op een uitgeholde roestvrij stalen cilinder en duwen de zuigers en de pellet van de top met een duwende staaf. Bij het uitwerpen van het koud geperst pellet (groenling) uit de matrijs verwijder eventuele besmetting op het omtreksoppervlak van de pellet door voorzichtig die de pellet met een klein stukje Scotch tape en verwijderen van een dunne laag door het scheuren van de band.
  7. Plaats de pellet verticaal in een aluminiumoxide boot vol met commercieel gekocht SrTiO 3 poeder als de barrière tussen de aluminiumoxide boot en de koude pers pellet.
  8. Plaats de boot in een buisoven, verwarmen tot 1300 ° C in 3 uur en houdt het op deze temperatuur 15hr. De pellet afkoelen tot kamertemperatuur in de oven bij het branden voorbij. Deze stap wordt aangeduid als de "calcineringsproces" daarna.
  9. Maal de pellet met behulp van de agaat mortier en stamper en laad het verkregen poeder in een glazen pot voor verdere mengen met behulp van de turbulator.
  10. Laad het poeder in de roestvrijstalen dobbelsteen en koud onder een ongeveer 3 ton lading ingedrukt.
  11. Herhaal stap 1.9 nog een keer op 1400 ° C in 3 uur en houdt het bij deze temperatuur gedurende 20 uur.
  12. Maal de pellet met behulp van de agaat mortier en stamper.
  13. Herhaal stap 1,11, 1,12, 1,13 en nog een keer voor de solid state reactie tot voltooiing te bereiken.

2. Voorbereiding van de Bulk Polykristallijn Pr-gedoteerde SrTiO 3 Ceramic

  1. Weeg (een disk 2 mm en 12,7 mm in diameter) 1,6 g van de zo bereide poeder.
  2. Bereid ronde Graphoil stukken aan de boven- en onderkant inte dekkence van het ingeklemd poeder en grafiet zuigers in het grafiet sterven. Ook Bereid een rechthoekig Graphoil stuk naar de binnenwand van het grafiet matrijs bedekken.
  3. Laad de zo bereide poeder in een grafiet matrijs (12,7 mm inwendige diameter) en sandwich het poeder tussen twee grafiet zuigers van dezelfde grootte. Boor een 2-mm gat in het midden van de lengte van het grafiet matrijs en het buitenoppervlak van de matrijs tot ongeveer 2 mm van het binnenoppervlak van temperatuurmeting.
    Opmerking: Stel de lengte van het grafiet plunjers buiten de matrijs blijft en plaats het middelpunt van de kern poeder cylinder waar het gat geplaatst wordt om een ​​nauwkeurige temperatuuruitlezing te krijgen. De vlakken van het grafiet plunjers moeten zorgvuldig worden geëgaliseerd tijdens de bewerking van de stukken. Elke verkeerde uitlijning kan resulteren in het scheuren van de gesinterde pellet gedurende ontstekingsplasma sinteren.
  4. Koude-druk het poeder zachtjes (belasting <200 kg) met een pers voorafgaand aan de montage op de vonkplasma sinteren plaat in de kamer. Gebruik plat gepolijst roestvrij staal steun platen tussen de bovenste en onderste zuigers en de druk op het podium om te voorkomen dat schade aan de grafiet zuigers.
  5. Wikkel een stuk grafiet gevoeld rond de dobbelsteen voor isolatie en zet het vast met grafiet garen. Bedenk een venster op het grafietvilt door een snede rechthoekig stukje vilt waarbij de temperatuuraflezing gat in de matrijs wordt geplaatst.
  6. Plaats de geladen grafiet sterven en zuigers in de ontstekingsplasma sinteren kamer. Verplaats het podium om de eindpositie.
  7. Focus en lijn de Pyrometer doelwit cirkel op de temperatuur lezen opening van de matrijs. Zorg ervoor dat de emissie-instelling van de pyrometer is ingesteld voor grafiet.
  8. Sluit de kamer en zet een 7,7 kN belasting (ongeveer 60 MPa) op het monster. Vacuüm en zuiveren de kamer met Ar drie keer en laat de kamer onder dynamisch vacuüm van 6 Pa.
  9. Verhoog de temperatuur door het verhogen van de stroom (handmatig of via eenprogramma). Gebruik 250 min -1 A (overeenkomend met ongeveer 300-400 ° C min -1) voor de geoptimaliseerde monsters. Dit is de belangrijkste stap van de ontstekingsplasma sinterproces.
  10. Houd de temperatuur op 1500 ° C gedurende 5 min door het handmatig aanpassen van de stroom of met het programma. Aan het einde van de 5 min houden periode sloot de huidige uit en kort op de 7,7 kN belasting te vermijden tijdens de afkoeling het kraken van de steekproef. Laat het monster afkoelen tot kamertemperatuur in de kamer.
  11. Maak de bulk pellet van het grafiet sterven voorzichtig met behulp van de koude pers. Dit gebeurt door het grafiet matrijs op een holle stalen cilinder en uitwerpen van de pellet en het grafiet plunjers met een stalen duwstang van boven.
  12. Verwijder de Graphoil boven en ondervlakken van de pellet en het omtreksoppervlak met een scherp scheermesje.
  13. Pools het monster met behulp van een ruwe schuurpapier (400 rooster) naar beneden voor 0,3-0,5 mm aan elke kant om te verzekerende volledige verwijdering van de Graphoil. Reinig het monster met aceton.

3. Karakterisering van elektronische en thermische Transport eigenschappen van Bulk Ceramics

  1. Bepaal de dichtheid van het keramische schijf, ρ, met de Archimedes methode.
  2. Meet het gewicht van het monster, W droog, en het gewicht van de onder water monster W nat, een gestabiliseerd densiteit meetsysteem en bereken de dichtheid van Archimedes

Vergelijking 2

waarbij ρ water is de dichtheid van het water bij de meettemperatuur (bijvoorbeeld gelijk aan 1 g cm -3 bij 300 K). 14

  1. Meet de thermische diffusie van het monster, d, via de transiënte laser-flitstechniek onder een 75 ml min -1 stroom Ar. Meet de diktevan het monster, L, nauwkeurig eerst met een digitale micrometer.
    Opmerking: Parallel aangezichten monsters met verschillende afmetingen en vormen (bijvoorbeeld, rond schijven 12,7 mm diameter of vierkant 10 x 10 mm 2 disks) en dikten tussen 0,5 en 5 mm gemakkelijk meetbaar.
    1. In het laser-flash thermische diffusie techniek bestralen één zijde van het monster door een korte (~ 1 msec) laserpuls en noteer de temperatuurstijging op de tegenoverliggende zijde met een infrarooddetector. Bereken vervolgens door thermische diffusie laser-flash interfacesoftware van de dikte van het monster en de temperatuurstijging-tijdprofiel met de Parker vergelijking 15

Vergelijking 3

waarbij L de dikte van de schijf en t 1/2 is de halfwaardetijd van de maximale temperatuurstijging andere side van het monster.

Opmerking: Het Parker model 15 veronderstelt ideale omstandigheden adiabatische monster en momentane hartslag verwarming, andere modellen zijn voorgesteld door de jaren, die goed zijn voor verschillende verliezen in de meting zoals de warmteverliezen eindige pulsduur, ongelijkmatige pulse verwarming en homogene structuren. We hebben de Cowan model 16 met puls correctie dat is een van de meest geavanceerde methoden gebruikt. Opgemerkt wordt dat, om de hoeveelheid thermische energie die van het vooroppervlak van het signaal waargenomen door de IR detector maximaliseren en maximaliseren de monsteroppervlakken sterk emitterende moeten zijn. Gewoonlijk vereist dit de toepassing van een dunne bekleding van grafiet aan de monsteroppervlakken. Een onzekerheid van 2% -5% van het meten van thermische diffusie bestaat, die door de bepaling van afmeting. 17

  1. Snijd de schijf pellet met behulp van een diamantzaag in rechthoekige staven, 2 x 2 x 10mm 3, elektrische geleidbaarheid en Seebeck coefficient metingen als een vierkante schijf, 4 x 4 x 1,5 mm 3 voor hoge temperaturen soortelijke warmte en een dun rechthoekig stuk, 8 x 5 x 1 mm 3 voor Hall metingen.
  2. Meet de soortelijke warmte, Cp, van het monster op het vlakke en gepolijst vierkant stuk (4 x 4 x 1,5 mm 3) onder toepassing van een differentiële scanning calorimetrie (DSC) onder argon stroom. 18
    1. Met een opwarmsnelheid van 5 K min -1 tot 40 ° C gedurende een isothermische houden gedurende 10 minuten om het monster thermisch evenwicht gevolgd door 20 K min -1 verwarmingssnelheid oplopen tot 500 ° C, met een exact koelsnelheid die volgde. Voer de meting onder de stroom van argon (50 ml min -1 voorgesteld).

Opmerking: Vanwege de gevoeligheid van de methode die wordt gebruikt voor de analyse, voeren drie metingen om de warmtecapaciteit te bepalen inclusief (1) een nulmeting om de achtergrond af te trekken, (2) het meten van de soortelijke warmte van een standaardmateriaal (bijvoorbeeld saffier) ​​met een bekende P C, en (3) Meting van de soortelijke warmte van het monster. Dat de steekproeven vlak en gepolijst teneinde een ideaal contact met de bodem van de kroes te meten (Pt / Rh pannen met Al 2 O 3 kroezen gebruikt in dit werk). Meer details over de exacte structuur van de DSC fase kan een vergelijking van de DSC technieken anderen en precieze instructies voor het meten van een monster in verschillende bronnen. 19

  1. Bereken de hoge-temperatuur thermische geleidbaarheid, κ van het monster uit de gemeten waarden van thermische diffusie, d, de soortelijke warmte, C P en de dichtheid, ρ gebruik 20

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

  1. Gouden plaat de sondes contactpunten (4 contacten) op de 2 x 2 x 10 mm 3 stuk gesneden uit het monster naar de contactpersoon weerstand problemen te verlichten.
    1. Om goud alleen de gewenste contactgebieden sputteren, wikkel een scotch-tape rond de 2 x 2 x 10 mm 3 monster gebruikt als sjabloon. Laat de 2 x 2 mm 2 gezichten un bedekte. Met behulp van een scheermesje uitgesneden 2 zeer kleine gaatjes (ongeveer 1 mm in diameter) in het midden van de 2 x 10 mm 2 gezicht langs een afzonderlijke regel met de probes afstand.
    2. Sputteren een ~ 200 nm-dikke gouden film met behulp van een bench-top goud sputteren eenheid. 21
  2. Meet de elektrische transporteigenschappen, namelijk de elektrische geleidbaarheid en Seebeck coefficient) van het monster als een functie van de temperatuur 22,23.
    1. Meet elektrische geleidbaarheid met de vier-terminale methode. Meet de Seebeck-coëfficiënt op de same setup met behulp van de metingen van temperatuur en voltage via de twee middelste thermokoppel "probes". Meet de afstand tussen de twee probes met een digitale microscoop. Meer details over de elektrische transport metingen kunnen elders worden gevonden. 22,23
  3. Meet de dragerconcentratie Hall als functie van de temperatuur op de 8 x 5 x 1 mm 3 monster met behulp van een fysische eigenschappen meetsysteem. 24

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

X-ray diffractie patronen werden verzameld om zo bereide poeders en bijbehorende bulk keramiek als functie van Pr-gehalte (figuur 1) om het effect van Pr-doping bestuderen op SrTiO 3 rooster, oplosbaarheid van Pr in SrTiO 3 en ​​de vorming van secundaire fase (s). De patronen bevestigen de vorming van SrTiO 3 fase in alle als bereide poeders waar de reflecties kunnen worden geïndexeerd aan een kubieke rooster met ruimte groep (Figuur 1A). De monotone verandering in de geïndexeerde roosterparameter van a = 3,906 voor x = 0 (niet-gedoteerd) met toenemend gehalte Pr bevestigt de vervorming van het rooster bij oprichting kleinere Pr 3+ ionen Sr 2+ sites. Zwakke idee werd ook waargenomen voor x> 0,05, overeenkomend met de tussenliggende praseodymium oxide fase (bijvoorbeeld, Pr 5 O 9), die de intensiteit toeneemt met toenemende nominale Pr concentratie ( (figuur 1C, D).

Een synthese-structuur- eigenschap relatie studie werd uitgevoerd om het effect van de SPS verwarmingssnelheid en de waargenomen secundaire fase op de elektronische transporteigenschappen begrijpen. Rasterelektronenmicrografieën verworven samen met energie-dispersieve X-ray spectra om het effect van de parameters synthese en verdichting te onderzoeken, met name ontstekingsplasma sinteren verwarmingssnelheid, de morfologie en de chemie van de korrels en korrelgrenzen (figuur 2). Synthesis- (micro) structuur-eigenschap relatie werd onderzocht door de temperatuur-afhankelijkheid van de elektronische transporteigenschappen van de keramische massa (Figuur 2). Er werd gevonden dat de elektrische geleidbaarheid significan kantgevoerd verhoogd door het optimaliseren van de SPS verwarmingssnelheid (Figuur 2A). Deze verbetering werd toegeschreven aan een aanzienlijke verbetering in de drager mobiliteit aangezien vergelijkbare Seebeck-coëfficiënt en carrier concentratiewaarden werden verkregen voor monsters verdicht onder verschillende verwarmingssnelheden (Figuur 2A, bijvoegsel). Rasterelektronenmicrografieën hebben aangetoond dat de Pr-rijke secundaire fase in de zo bereide poeder (Figuur 2B, bijvoegsel) gedeeltelijk de korrelgrens regio kan doteren in de SPS-proces (figuur 2B). Door de juiste optimalisatie van de SPS verwarmingssnelheid kan de korrelgrens gebied volledig gedoteerd met Pr, waarbij een verbetering in de drager mobiliteit waargenomen (Figuur 2C).

Elektronische en thermische transporteigenschappen van de bulk keramiek voorbereid en wordt SPS verwarmingssnelheid van 300 ° C min - 1 werden gemeten als functie of temperatuur en Pr inhoud om de totale thermo figure of merit berekenen (Figuur 3). Alle monsters vertonen een gedegenereerde halfgeleidend gedrag (dat wil zeggen metaal-achtige) voor elektrische geleidbaarheid (figuur 3A) en een corresponderende diffusieve-achtige thermokracht (Figuur 3B). Grote thermo-elektrische factor> 1 W m -1 K -1 werd waargenomen voor keramiek met x> 0.075 in een breed temperatuurbereik bereiken van een maximum van 1,3 W m -1 K -1 voor x = 0,15, wat overeenkomt met 3% ten Pr ( Figuur 3C). Tegelijkertijd moet een monotone afname van de thermische geleidbaarheid waargenomen bij toenemende Pr tot x = 0,15 (Figuur 3D). De optimale nominale Pr concentratie bleek x = 0,15 voor deze monsters. 13 meer dan 30% verbetering van de thermo dimensieloze kwaliteitsfactor (ZT) voor het gehele temperatuurtraject alle eerder gerapporteerde maximum waarden werden bereikt als gevolg van de gelijktijdige verbetering van de thermo arbeidsfactor en vermindering van de thermische geleidbaarheid (figuur 3E). 13 ZT maximale waarde van 0,35 werd verkregen bij 500 ° C. Indien de metingen niet onder een zeer reducerende atmosfeer uit te voeren, zijn maximum ZT waarden boven 0,6 voorspeld bij 1000 ° C Door toepassing van het experimentele elektrische en thermische datatransport. De mogelijkheid tot verdere verbetering van de arbeidsfactor bij deze temperaturen, en dus ZT bestaan ​​ook indien de dragerconcentratie verder kan worden vergroot. 30

Figuur 1
Figuur 1. Röntgendiffractie profielen (A) X-ray diffractie (XRD) profielen van Sr 1 -. X Pr TiO x 3 - δ poeders voor SPSals functie van de nominale inhoud Pr. (B) Vergrote weergave van de gestippelde rechthoek in (a), (C) XRD profielen van Sr 1 - x Pr x TiO 3 - δ met x = 0,075 voor SPS (poeder) en na high-verwarmen-rate SPS (Bulk Ceramic ). Foto koudgeperste poeder na solid-state reactie en de bijbehorende SPSed keramische getoond. (D) vergroot beeld van de gestippelde rechthoek in (C). Overgenomen met toestemming. 12. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. Effect van SPS verwarming tarief. (A) Temperatuur afhankelijkheid van de elektrische geleidbaarheid en Seebeck coefficient (inzet) voor Sr 1 - x Pr TiO x 3 - δ keramiek met x = 0,075 verwerkte twee verschillende SPS verhittingssnelheden van 100 ° C min - 1 en 300 ° C min - 1 resp. (B) Strooilicht- elektron (BSE) microfoto van de keramische in het kader van 100 ° C min - 1 SPS. Een typische Pr spectrum van de EDS lijn scan over een PrO y deeltje wordt getoond. (C) Strooilicht- elektronenmicrograaf van de keramische in het kader van een 300 ° C min - 1 SPS verwarming tarief. Een typische Pr spectrum van EDS lijn te trekken over twee granen, graan 1 en graan 2, wordt getoond. De inzet toont de BSE-microfoto van de Sr 0,95 La 0,05 TiO 3 keramische bereid volgens hetzelfde recept. Overgenomen met toestemming. 12 Pbelasting / 52869 / 52869fig2highres.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3
Figuur 3. Thermo-elektrische transporteigenschappen. Temperatuurafhankelijkheid van (A) elektrische geleidbaarheid (σ), (B) Seebeck-coëfficiënt (α), (C) arbeidsfactor (gedefinieerd als PF = α2σT), (D) totaal thermisch geleidingsvermogen en (E ) figuur-van-verdienste, ZT voor Sr 1 - x Pr x TiO 3 - δ keramiek als een functie van Pr content. Temperatuurafhankelijkheid van gerapporteerde maximum ZT waarden in de literatuur ter vergelijking getoond. 2,25-28 gereproduceerd toestemming. 12,13_blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

In dit protocol hebben we de stappen van de synthese strategie gepresenteerd om succesvol te bereiden bulk polykristallijne-Pr gedoteerde SrTiO 3 keramiek tentoonstellen betere elektronische en thermo-elektrische eigenschappen. De belangrijkste stappen van het protocol omvatten (i) het vaste synthese van de gedoteerde SrTiO 3 poeder in lucht onder atmosferische druk en (ii) gebruik te maken van de mogelijkheden van ontstekingsplasma sintertechniek de zo bereide poeder verdichten in high- bulk density keramiek en tegelijkertijd verder doteren de korrelgrenzen van het monster met Pr. Er werd aangetoond dat door een hoge SPS verwarmingssnelheid (300-400 ° C -1 min) de reflecties in de X-ray diffractiepatronen die overeenkomt met de secundaire fase (n) worden volledig verdwenen (figuur 1C, D). De hoge verwarmingssnelheid is een van de belangrijkste verschillen van deze synthesestrategie met eerdere verslagen in de literatuur. 17 Volledigopneming van Pr doteermiddelen in Sr site, die leiden tot gemeten dragerconcentratie die overeenkomen met de nominale waarden doping 12, is een van de belangrijkste verwezenlijkingen van deze synthese strategie. Dientengevolge, werden hogere carrier concentratiewaarden waargenomen voor de bereide werk vergelijken met de waarden in de literatuur voor de monsters monsters bereid met andere werkwijzen met dezelfde nominale doteringsconcentraties. Gebruikmakend van de sterk-reducerende atmosfeer van ontstekingsplasma sinteren kamer (grafiet matrijs onder dynamisch vacuüm en hoge verwarmingssnelheid) aan de oxide poeder verminderen om zuurstofvacatures als een andere bron van elektronen doping maken ook onderscheidt dit protocol uit andere monsters gerapporteerd de literatuur opgesteld onder Ar 29 of vormen gas (5-10% H in Ar) 29 atmosferen.

Voorts werd waargenomen dat door een hoge SPS verwarmingssnelheid, secundaire fasen, die voornamelijkpraseodymium oxide, kan lokaal dope de korrel grensgebieden. Deze niet-uniforme dotering van de keramische monsters resulteerde in het waarnemen van een onverwachte duidelijke verbetering van de drager mobiliteit, thermo-elektrische element en een significante vermindering van het totale thermische geleidbaarheid. De experimentele gegevens suggereren dat de waargenomen verbetering samenhangt met de unieke microstructuur van het keramiek en de aanwezigheid van Pr-rijke grensgebieden. Dergelijke grenzen werden niet waargenomen voor het SrTiO 3 keramische gedoteerd met andere doteermiddelen zoals La (figuur 2C, inzet) of worden bereid met andere synthese methoden beschreven in de literatuur. Een recente theoretische studie van Dawson en Tanaka probeert deze opmerking uit te leggen (dat wil zeggen, waarom Pr-doping induceert kern-schil vorming en La-doping niet) door het onderzoeken van de lokale structuur en energetica van PR- en La-gedoteerd SrTiO 3 korrelgrenzen . 30 Hun berekeningen tonen een ver stronger energieke voordeel voor Pr-doping van korrelgrenzen dan La-doping. Aangezien de elektronische resultaten transport niet kon worden verklaard door effectief medium theorie, 12 wordt aangenomen dat een ladingsoverdrachtmechanisme waarschijnlijk betrokken bij de mobiliteitsverbetering carrier.

De resultaten bewijzen dat de strategie kan worden toegepast als een werkwijze voor het synthetiseren van in situ composietstructuren bijzonder van het type kern-mantel structuur. De efficiëntie van de niet-uniforme dotering afhankelijk van de aard van de samenstellende fasen van de composiet. Deze werkwijze is beperkt door het smeltpunt van de in het materiaal aanwezige fasen. Hoge verwarming tarieven van 300-400 ° C min -1 kan lokaal het materiaal onder mechanische druk smelten en ofwel barst het monster of de eigenschappen veranderen. Daarom is dit protocol is een goede synthese te volgen strategie aan andere oxides door hun hoge-temperatuurstabiliteit. Voorzichtigheid dient exerc zijnseerd wanneer de werkwijze wordt toegepast op andere thermo-elektrische materialen. De voorwaarden ontstekingsplasma sintertechniek moeten worden geoptimaliseerd voordat de strategie andere materiaalsystemen. Opgemerkt wordt dat vanwege de toegepaste hoge verhittingssnelheden, is aanzienlijke korrelgroei uitgaan van het verdichting deel van het protocol wordt toegepast op nanosctructured poeders.

Verder onderzoek naar het huidige protocol aanpassen om verdere verbetering van de thermo-elektrische eigenschappen zal zich richten op de gelijktijdige optimalisering van het effect van de mechanische belasting (60 MPa in dit protocol), de SPS weektemperatuur en inweektijd de thermische geleidbaarheid verdere verlaging , het verbeteren van de power factor, en om de kans op succes van de voorbereiding van-crack gratis monsters te verbeteren.

Tot slot hebben we de synthese aanpak voor het opstellen van bulk polykristallijne-Pr gedoteerde SrTiO 3 keramiek met Pr-rijke graan boundarie aangetoonds vertonen aanzienlijk verbeterde elektronische en thermo-elektrische eigenschappen. De synthese strategie gebruikt in dit werk kunnen nieuwe horizonten en mogelijkheden openen voor andere eigenschappen en toepassingen van deze breed functionele perovskite waar hogere mobiliteit drager is gewenst. Bovendien kan de korrelgrens techniek gebruikt ontstekingsplasma sintering aangetoond in dit werk in andere oxidematerialen worden toegepast om de fysische eigenschappen te modificeren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
SrCO3 Powder, 99.9% Sigma Aldrich 472018
TiO2 Nanopowder, 99.5% Sigma Aldrich 718467
Pr2O3 Sintered Lumps, 99.9% Alfa Aesar 35663 
Spark Plasma Sintering  Dr. Sinter Lab SPS-515S
Resistivity/Seebeck Coefficient Measurement System Ulvac-Riko ZEM-2
Laser Flash Thermal Diffusivity Measurement System Netzsch LFA-457 Microflash
Differential Scanning Calorimetry (DSC) System Netzsch 404C Pegasus
Physical Property Measurement system (PPMS) Quantum Design
Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) Hitachi SU-6600
Energyy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) Oxford Instruments
X-ray Diffractometer Rigaku Ultima IV
Bench-top Sputter Coater Denton Vacuum Desk II
Diamond  Wheel Saw South Bay Technology

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ohta, S., Nomura, T., Ohta, H., Koumoto, K. High-temperature Carrier Transport and Thermoelectric Properties of Heavily La-or Nb-doped SrTiO3 Single Crystals. J. Appl. Phys. 97, (2005).
  2. Wang, H. C., et al. Enhancement of Thermoelectric Figure of Merit by Doping Dy in La0.1Sr0.9TiO3 Ceramic. Mater. Res. Bull. 45, 809-812 (2010).
  3. Bhattacharya, S., Mehdizadeh Dehkordi, A., Alshareef, H. N., Tritt, T. M. Synthesis–Property Relationship in Thermoelectric Sr1−xYbxTiO3−δ Ceramics. J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 385302 (2014).
  4. Wang, Y., Lee, K. H., Ohta, H., Koumoto, K. Thermoelectric Properties of Electron Doped SrO(SrTiO3)n (n=1,2) Ceramics. J. Appl. Phys. 105, 1037011-1037016 (2009).
  5. Wang, N., et al. Effects of YSZ Additions on Thermoelectric Properties of Nb-Doped Strontium Titanate. J. Electron. Mater. 39, 1777-1781 (2010).
  6. Muta, H., Kurosaki, K., Yamanaka, S. Thermoelectric Properties of Rare Earth Doped SrTiO3. J. Alloys Compd. 350, 292-295 (2003).
  7. Shang, P. -P., Zhang, B. -P., Li, J. -F., Ma, N. Effect of Sintering Temperature on Thermoelectric Properties of La-doped SrTiO3 Ceramics Prepared by Sol-gel Process and Spark Plasma Sintering. Solid State Sciences. 12, 1341-1346 (2010).
  8. Wang, Y., Fan, H. J. Sr1-xLaxTiO3 Nanoparticles: Synthesis, Characterization and Enhanced Thermoelectric Response. Scripta Materialia. 65, 190-193 (2011).
  9. Kikuchi, A., Okinakab, N., Akiyama, T. A Large Thermoelectric Figure of Merit of La-doped SrTiO3 Prepared by Combustion Synthesis with Post-Spark Plasma Sintering. Scripta Materialia. 63, 407-410 (2010).
  10. Obara, H., et al. Thermoelectric Properties of Y-Doped Polycrystalline SrTiO3.Jpn. J. Appl. Phys. 43, L540-L542 (2004).
  11. Koumoto, K., Wang, Y., Zhang, R., Kosuga, A., Funahashi, R. Oxide Thermoelectric Materials: A Nanostructuring Approach. Annu. Rev. Mater. Res. 40, 363-394 (2010).
  12. Mehdizadeh Dehkordi, A., et al. Large Thermoelectric Power Factor in Pr-Doped SrTiO3−δ Ceramics via Grain-Boundary-Induced Mobility Enhancement. Chem. Mater. 26, 2478-2485 (2014).
  13. Mehdizadeh Dehkordi, A., Bhattacharya, S., He, J., Alshareef, H. N., Tritt, T. M. Significant Enhancement in Thermoelectric Properties of Polycrystalline Pr-doped SrTiO3 Ceramics Originating from Nonuniform distribution of Pr dopants. Appl. Phys. Lett. 104, 1939021-1939024 (2014).
  14. Standard Test Methods for Density of Compacted or Sintered Powder Metallurgy (PM) Products Using Archimedes’ Principle. ASTM International. West Conshohocken, PA. Available from: http://www.astm.org (2015).
  15. Parker, W. J., Jenkins, R. J., Butler, C. P., Abbott, G. L. Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity and Thermal Conductivity. J. Appl. Phys. 32, 1679-1684 (1961).
  16. Cowan, R. D. Pulse Method of Measuring Thermal Diffusivity at High Temperatures. J. Appl. Phys. 34, 926-927 (1963).
  17. Mehdizadeh-Dehkordi, A. An Experimental Investigation Towards Improvement of Thermoelectric Properties of Strontium Titanate Ceramics. Available from: http://tigerprints.clemson.edu/all_dissertations/1333 (2014).
  18. DSC Pegasus 404C Operating Manual. Netzsch GmbH. Selb, Germany. (1999).
  19. Daw, J. E. Measurement of Specific Heat Capacity Using Differential Scanning Calorimeter. Report of US Department of Energy. Idaho National Laboratory. (2008).
  20. Tritt, T. M. Thermal Conductivity: Theory, Properties and Applications. Kluwer Academic. (2004).
  21. SC7610 Sputter Coater Operating Manual. Quorum Technologies Ltd. East Sussex, England. Available from: http://www.quorumtech.com/pdf/productOperatingManuals/SC7610_Operating_Manual.pdf (2002).
  22. Tritt, T. M. Electrical and Thermal Transport Measurement Techniques for Evaluation of the figure-of-Merit of Bulk Thermoelectric Materials. Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano. Rowe, D. M. CRC Press. Boca Raton. 23-1-23-17 (2006).
  23. Burkov, A. T. Measurements of Resistivity and Thermopower: Principles and Practical Realization. Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano. Rowe, D. M. CRC press. Boca Raton. 22-1 (2006).
  24. Physical Property Measurement System: AC Transport Option User’s Manual. Quantum Design. San Diego, USA. Available from: http://www.mrl.ucsb.edu/sites/default/files/mrl_docs/instruments/manPPMS.pdf (2003).
  25. Ohta, S., Ohta, H. Grain Size Dependence of Thermoelectric Performance of Nb-doped SrTiO3. Polycrystals. J. Ceram. Soc. Jpn. 114, 102 (2006).
  26. Wang, N., He, H., Ba, Y., Wan, C., Koumoto, K. Thermoelectric Properties of Nb-doped SrTiO3 Ceramics Enhanced by Potassium Titanate Nanowires Addition. J. Ceram. Soc. Jpn. 118, 1098 (2010).
  27. Ohta, S., et al. Large Thermoelectric Performance of Heavily Nb-doped SrTiO3 Epitaxial Film at High Temperature. Appl. Phys. Lett. 87, 092108 (2005).
  28. Kovalevsky, A., Yaremchenko, A., Populoh, S., Weidenkaff, A., Frade, J. Enhancement of Thermoelectric Performance in Strontium Titanate by Praseodymium Substitution. J. Appl. Phys. 113, 053704 (2013).
  29. Kovalevsky, A. V., et al. Towards a High Thermoelectric Performance in Rare-Earth Substituted SrTiO3: Effects Provided by Strongly-Reducing Sintering Conditions. Phys. Chem. 16, 26946 (2014).
  30. Dawson, J. A., Tanaka, I. Local Structure and Energetics of Pr- and La-Doped SrTiO3 Grain Boundaries and the Influence on Core–Shell Structure Formation. J. Phys. Chem. C. 118, 25765-25778 (2014).
  31. Mehdizadeh Dehkordi, A., et al. New Insights on the Synthesis and Electronic Transport in Bulk Polycrystalline Pr-doped SrTiO3−δ. Appl. Phys. Lett. 117, 055102 (2015).
Synthese van niet-uniforme Pr gedoteerde SrTiO<sub&gt; 3</sub&gt; Keramiek en hun Thermo Properties
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mehdizadeh Dehkordi, A., Bhattacharya, S., Darroudi, T., Zeng, X., Alshareef, H. N., Tritt, T. M. Synthesis of Non-uniformly Pr-doped SrTiO3 Ceramics and Their Thermoelectric Properties. J. Vis. Exp. (102), e52869, doi:10.3791/52869 (2015).More

Mehdizadeh Dehkordi, A., Bhattacharya, S., Darroudi, T., Zeng, X., Alshareef, H. N., Tritt, T. M. Synthesis of Non-uniformly Pr-doped SrTiO3 Ceramics and Their Thermoelectric Properties. J. Vis. Exp. (102), e52869, doi:10.3791/52869 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter