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Chemistry

Sintesi di non-uniforme Pr-drogato SrTiO doi: 10.3791/52869 Published: August 15, 2015

Introduction

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Termoelettrico ossido hanno dimostrato di essere candidati promettenti per applicazioni termoelettriche ad alta temperatura, di stabilità e di costo prospettive alla proprietà di trasporto elettronico. Tra i termoelettrico ossido di tipo n, titanato di stronzio fortemente drogata (STO) ha attirato molta attenzione per le sue interessanti proprietà elettroniche. Tuttavia, una grande conduttività termica totale (κ ~ 12 W m -1 K -1 a 300 K per monocristalli) 1 e mobilità portante bassa (μ ~ 6 cm 2 V -1 sec -1 a 300 K per cristalli singoli) 1, compromette il rendimento termoelettrico che viene valutato da una figura adimensionale di merito, ZT = α 2 σT / κ, dove α è il coefficiente di Seebeck, σ la conducibilità elettrica, T la temperatura assoluta in gradi Kelvin, e κ la conducibilità termica totale. Siamo qui definiamo il numeratore come il fattore di potenza, PF = α 263; T. Affinché questo materiale termoelettrico ossido di competere con altri termoelettrico ad alta temperatura (come leghe SiGe), un aumento più pronunciato nel fattore di potenza e / o diminuzione in lattice conducibilità termica sono richiesti.

La maggior parte degli studi sperimentali, per migliorare le proprietà termoelettriche di STO sono concentrati principalmente sulla riduzione della conducibilità termica mediante strain-campo e la fluttuazione massa dispersione dei fononi. Questi tentativi sono: (i) Scegliere o doppio-doping della Sr 2+ e / o Ti 4+ siti, come i principali sforzi rispetto a questa direzione, 2,3 (ii) Sintesi di superlattice naturale strutture Ruddlesden-Popper 5 Tuttavia, al fine di ridurre ulteriormente la conduttività termica attraverso strati isolanti SRO, 4 e (iii) Tecnica composito mediante aggiunta di una seconda fase nanometriche., fino a poco tempo fa, nessuna strategia enhancement è stato segnalato substantbuona resa aumentare il fattore termoelettrica di questi ossidi. I valori del fattore di potenza massima riportata (PF) in massa mono e poli-cristallino STO sono stati confinati a un limite massimo di PF <1,0 W m -1 K -1.

Una varietà di approcci di sintesi e tecniche di lavorazione sono stati impiegati per realizzare le idee tentati sopra. Le vie di sintesi in polvere includono reazione allo stato solido convenzionale, 6 sol-gel, 7 idrotermale, 8 e la combustione di sintesi, 9 considerando sinterizzazione convenzionale, 6 a caldo 10 e recentemente scintilla sinterizzazione plasma 12 sono tra le comuni tecniche utilizzate per addensare le polveri in ceramiche di massa. Tuttavia, per un drogante simile (per esempio, La) e concentrazione di drogaggio, le ceramiche bulk risultanti presentano una gamma di proprietà elettroniche di trasporto e termiche. Ciò è grande a causa del difetto chimica fortemente processo dipendente SrTiO <sub> 3 che si traduce in proprietà di sintesi-dipendente. C'è solo una manciata di rapporti ottimizzando i parametri di sintesi e di elaborazione a beneficio del trasporto termoelettrico. Vale la pena ricordare che a causa della piccola fonone libero cammino medio in SrTiO 3 (l ph ~ 2 nm a 300 K), 11 nanostrutturazione non è un'opzione praticabile per il miglioramento delle prestazioni TE della ceramica bulk STO principalmente attraverso la riduzione della conducibilità termica reticolo.

Recentemente, abbiamo riportato più del 30% di miglioramento nella figura termoelettrica di merito in modo non uniforme Pr-drogate SrTiO 3 ceramiche provenienti da un fattore di potenza termoelettrica maggiore simultaneamente e ridotto conducibilità termica. 12,13 In questo protocollo video dettagliato, presentiamo e discutere i passi della nostra strategia di sintesi per la preparazione di questi Pr-drogato ceramiche STO espongono migliorate proprietà elettroniche e termoelettriche.

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Protocol

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1. Preparazione di Pr-drogato SrTiO 3 Polvere

  1. Al fine di preparare 10 g di Sr 0,95 Pr 0.05 TiO 3 in polvere, pesare le quantità stechiometriche di SrCO3 polvere (7,53407 g), TiO2 nanopolveri (4,28983 g), e Pr 2 O 3 grumo sinterizzato (0,44299 g) a seguito della reazione per x = 0.05:

Equazione 1

  1. Macinare le pesati Pr 2 O 3 grumi sinterizzate a particelle fini che utilizzano un mortaio di agata e pestello.
  2. Aggiungere il pesato SrCO3 in polvere e TiO 2 nanopolveri al Pr 2 O 3 e continuare a macinare e mescolare con un mortaio di agata e pestello finché una polvere visivamente omogeneo è raggiunto.
  3. Caricare la polvere del suolo in un vaso di vetro e mescolare con un turbolatore per 30 minuti per omogeneizzare the miscela.
  4. Caricare la polvere mista risultante in uno stampo in acciaio inox accuratamente pulita e lucidata (1 pollice di diametro) e panino tra due stantuffi in acciaio inox.
  5. Stampa a freddo la polvere utilizzando una pressa sotto un carico di circa 1 tonnellata.
  6. Estrarre il pellet pressato a freddo posizionando il dado su un cilindro scavato in acciaio inox e spingendo gli stantuffi e il pellet dalla sommità utilizzando un'asta di spinta. Dopo estrazione del pellet pressato a freddo (corpo verde) dallo stampo, pulire qualsiasi contaminazione sulla superficie circonferenziale del pellet coprendo delicatamente il pellet con un piccolo pezzo di scotch e rimozione di un sottile strato strappa il nastro.
  7. Posizionare il pellet verticalmente in una barca piena di allumina acquistabile SrTiO 3 polvere come la barriera tra la barca di allumina e la stampa pellet freddo.
  8. Posizionare la barca in un forno tubolare, riscaldare fino a 1300 ° C in 3 ore e mantenerlo a tale temperatura per 15h. Lasciare che il pellet raffreddare a RT all'interno del forno quando la calcinazione è finita. Questo passo viene definito come "processo di calcinazione" successivamente.
  9. Macinare il pellet con il mortaio e pestello agata e caricare la polvere risultante in un barattolo di vetro per un ulteriore miscelazione con il turbolatore.
  10. Caricare la polvere nello stampo in acciaio inox e spremute a freddo sotto un circa 3 tonnellate di carico.
  11. Ripetere la fase 1.9 ancora una volta a 1400 ° C in 3 ore e mantenerlo a tale temperatura per 20 ore.
  12. Macinare il pellet con il mortaio e pestello agata.
  13. Ripetere i punti 1.11, 1.12, 1.13 e ancora una volta per la reazione allo stato solido per raggiungere il completamento.

2. Preparazione di Bulk policristallino Pr-drogato SrTiO 3 Ceramic

  1. Pesare 1,6 g della polvere come preparato (per un disco di spessore di 2 mm e 12,7 mm di diametro).
  2. Preparare pezzi Graphoil circolari per coprire il inte superiore e inferiorerfaccia della polvere di grafite e pistoni a sandwich della filiera grafite. Inoltre, preparare un altro pezzo Graphoil rettangolare per coprire la parete interna dello stampo di grafite.
  3. Caricare la polvere come preparato in uno stampo di grafite (12.7 mm di diametro interno) e panino la polvere tra due stantuffi grafite delle stesse dimensioni. Praticare un foro di 2 mm al centro della lunghezza della matrice grafite e dalla superficie esterna del dado per circa 2 mm dalla superficie interna per la lettura della temperatura.
    Nota: regolare la lunghezza degli stantuffi grafite rimanenti esternamente allo stampo e posizionare il centro del cilindro di polvere sandwich in cui il foro è posizionato per ottenere una lettura precisa della temperatura. Le facce dei pistoni grafite devono essere accuratamente livellata durante la lavorazione dei pezzi. Qualsiasi disallineamento può provocare la rottura della pastiglia sinterizzata durante la sinterizzazione scintilla plasma.
  4. Freddo premere la polvere delicatamente (carico <200 kg) utilizzando una pressa prima del montaggio sulla scintillaplasma piatto sinterizzazione all'interno della camera. Usare piatti piani di supporto in acciaio inox lucidato tra la parte superiore e inferiore stantuffi e la fase stampa per evitare di danneggiare i pistoni di grafite.
  5. Avvolgere un pezzo di grafite sentiva attorno allo stampo per l'isolamento e fissarlo con filato di grafite. Elaborare una finestra sulla grafite sentita tagliando un pezzo rettangolare di feltro dove il buco lettura di temperatura è posizionato sullo stampo.
  6. Posizionare il dado caricato grafite e stantuffi nella camera di sinterizzazione scintilla plasma. Spostare il palco per la posizione finale.
  7. Fuoco e allineare il cerchio di destinazione Pirometro sul foro lettura della temperatura dello stampo. Assicurarsi che l'impostazione di emissività del pirometro è impostato per la grafite.
  8. Chiudere la camera ed applicare un carico 7,7 kN (circa 60 MPa) sul campione. Vuoto e spurgare la camera con Ar tre volte e lasciare la camera sotto vuoto dinamico di 6 Pa.
  9. Aumentare la temperatura aumentando la corrente (manualmente o mediante unprogramma). Utilizzare 250 A min -1 (corrispondente a circa 300-400 ° C min -1) per i campioni ottimizzati. Questo è il passo più importante del processo di sinterizzazione scintilla plasma.
  10. Mantenere la temperatura a 1500 ° C per 5 min regolando manualmente la corrente o utilizzando il programma. Alla fine del periodo di detenzione 5 min, interrompere la corrente off e rilasciare rapidamente il carico 7,7 kN per evitare fessurazioni campione durante il raffreddamento. Lasciar raffreddare il campione RT all'interno della camera.
  11. Rilasciare il pellet sfuso dalla grafite die delicatamente con la spremitura a freddo. Questo viene fatto mettendo il dado grafite su un cilindro di acciaio scavato e l'espulsione del pellet e gli stantuffi grafite utilizzando un acciaio spingendo un'asta dall'alto.
  12. Rimuovere il Graphoil sulle facce superiore e inferiore del pellet e la superficie circonferenziale con una lama di rasoio affilata.
  13. Polacco campione utilizzando una carta vetrata ruvida (400 griglia) giù per 0,3-0,5 mm da ogni lato per assicurarela completa rimozione del Graphoil. Pulire il campione con acetone.

3. Caratterizzazione di Elettronica e Trasporti termica Proprietà della Ceramica Bulk

  1. Determinare la densità del disco ceramico, ρ, utilizzando il metodo di Archimede.
  2. Misurare il peso del campione, W secca, e quindi il peso del campione immerso in acqua, W bagnato, su un sistema di misurazione della densità stabilizzato e calcolare la densità di Archimede da

Equazione 2

dove l'acqua ρ è la densità dell'acqua alla temperatura di misurazione (per esempio, pari a 1 g cm -3 a 300 K). 14

  1. Misurare la diffusività termica del campione, d, utilizzando la tecnica laser-flash transitoria sotto un min -1 flusso di Ar 75 ml. Misurare lo spessoredel campione, L, accuratamente prima utilizzando un micrometro digitale.
    Nota: campioni paralleli facce con diverse dimensioni e forme (ad esempio, dischi rotondi 12,7 millimetri di diametro o quadrata 10 x 10 mm 2 dischi) e spessori tra 0,5 e 5 mm può essere facilmente misurata.
    1. Nella laser-flash tecnica diffusività termica, irradiare una faccia del campione con un breve (~ 1 msec) impulso laser e registrare l'aumento di temperatura sulla faccia opposta da un rivelatore a infrarossi. Quindi calcolare diffusività termica dal software di interfaccia laser-flash dallo spessore del campione e il profilo di temperatura tempo di salita usando l'equazione Parker 15

Equazione 3

dove L è lo spessore del disco e t 1/2 è il primo tempo di sovratemperatura massima dell'altro side del campione.

Nota: Il modello di Parker 15 assume le condizioni ideali di campione adiabatico e istantaneo riscaldamento impulso, altri modelli sono stati proposti nel corso degli anni, che rappresentano diverse perdite nella misurazione, come le perdite di calore, durata dell'impulso finita, non uniforme riscaldamento impulsi e non omogenea strutture. Abbiamo utilizzato il modello Cowan 16 con correzione di impulsi che è uno dei metodi più avanzati. Va notato che, al fine di massimizzare la quantità di energia termica trasmessa dalla superficie frontale e massimizzare il segnale osservato dal rivelatore IR, le superfici campione devono essere altamente emissivo. Solitamente questo richiede l'applicazione di un sottile strato di grafite alle superfici campione. Un'incertezza del 2% -5% nella misurazione di diffusività termica esiste, derivanti dalla determinazione di quota. 17

  1. Tagliare il pellet disco utilizzando una sega diamantata in barre rettangolari, 2 x 2 x 103 mm, conduttività elettrica e Seebeck misurazioni coefficiente così come disco quadrata, 4 x 4 x 1,5 mm 3 per alta temperatura calore specifico e un pezzo rettangolare sottile, 8 x 5 x 1 mm 3 per misure di Hall.
  2. Misurare il calore specifico, C p, del campione sul pezzo quadrato piatta e lucidata a specchio (4 x 4 x 1,5 mm 3) utilizzando una calorimetria differenziale a scansione (DSC) sotto flusso di argon. 18
    1. Utilizzare una velocità di riscaldamento di 5 K min -1 fino a 40 ° C per una tenuta isotermico per 10 min per permettere il campione raggiungimento dell'equilibrio termico seguito da 20 K tasso min -1 riscaldamento fino a 500 ° C, con una velocità di raffreddamento esatta che ha seguito. Eseguire la misura sotto il flusso di argon (50 ml min -1 è suggerito).

Nota: A causa della sensibilità del metodo di analisi, condurre tre misurazioni per determinare la capacità termica compreso (1) una misura di base per sottrarre lo sfondo, (2) misurazione del calore specifico di un materiale standard (come zaffiro) con un noto C P, e (3) la misura del calore specifico del campione. Assicurarsi che i campioni sono piatte e lucidata a specchio per fare un contatto ideale con il fondo del crogiolo misura (pentole Pt / Rh con Al 2 O 3 crogioli utilizzati in questo lavoro). Maggiori dettagli sulla struttura esatta del palcoscenico DSC, un confronto delle tecniche DSC ad altri, e le istruzioni esatte per misurare un campione possono essere trovati in varie fonti. 19

  1. Calcolare la conducibilità termica ad alta temperatura, κ, del campione dai valori misurati di diffusività termica, d, il calore specifico, C P, e la densità, ρ utilizzando 20

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  1. Targa d'oro i punti di contatto sonde (4 contatti) sul 2 x 2 x 10 mm 3 pezzo tagliato dal campione per alleviare i problemi di resistenza di contatto.
    1. Per sputter oro solo sulle zone di contatto desiderati, avvolgere un scotch attorno al campione 2 x 2 x 10 mm 3 da utilizzare come stencil. Lasciare il 2 x 2 mm 2 facce un-coperti. Utilizzando una lama di rasoio, tagliare 2 fori molto piccoli (circa 1 mm di diametro) in mezzo alla faccia 2 x 10 mm 2 lungo una linea separata dalla distanza sonde.
    2. Polverizzazione catodica una pellicola d'oro ~ 200 nm di spessore con un banco unità oro sputtering. 21
  2. Misurare le proprietà di trasporto elettriche, cioè la conducibilità elettrica e coefficiente Seebeck) del campione in funzione della temperatura 22,23.
    1. Misurare la conducibilità elettrica utilizzando il metodo a quattro morsetti. Misurare il coefficiente di Seebeck sul same configurazione utilizzando le misurazioni di temperatura e tensione tramite le due termocoppie middle "sonde". Misurare la distanza tra queste due sonde utilizzando un microscopio digitale. Maggiori dettagli sulle misure elettriche di trasporto può essere trovato altrove. 22,23
  3. Misurare la concentrazione di portatori Hall come funzione della temperatura sulla mm 3 campione 8 x 5 x 1 usando un sistema di misurazione delle proprietà fisiche. 24

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Representative Results

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Diffrazioni radiografiche modelli sono stati raccolti per le polveri come preparate e le corrispondenti ceramiche bulk in funzione del Pr-contenuti (Figura 1) al fine di studiare l'effetto di Pr-doping sulla SrTiO 3 reticolare, solubilità in Pr SrTiO 3 e la formazione di fase secondaria (s). I modelli confermano la formazione di SrTiO 3 fase tutte le polveri come preparate dove i riflessi possono essere indicizzati al reticolo cubico con gruppo spaziale (Figura 1A). La variazione monotona del parametro reticolare indicizzata da un = 3.906 per x = 0 (non drogato) con l'aumento del contenuto Pr conferma la distorsione del reticolo sulla incorporazione di piccole Pr 3+ ioni in siti Sr 2+. Riflessioni deboli sono stati osservati anche per x> 0,05, corrispondente alla fase di ossido di praseodimio intermedia (ad esempio, Pr 5 O 9), che aumentano di intensità all'aumentare della concentrazione nominale Pr ( (Figura 1C, D).

Uno studio rapporto di sintesi a struttura-struttura è stata condotta al fine di comprendere l'effetto della velocità di riscaldamento SPS e la fase secondaria osservato sulle proprietà di trasporto elettronico. Scansione micrografie elettroniche sono state acquisite in combinazione con spettri a raggi X a dispersione di energia per studiare l'effetto dei parametri di sintesi e densificazione, particolarmente scintilla sinterizzazione plasma velocità di riscaldamento, sulla morfologia e la chimica dei grani e bordi di grano (Figura 2). Synthesis- rapporto (micro) struttura-struttura è stata studiata monitorando la dipendenza dalla temperatura delle proprietà di trasporto elettroniche delle ceramiche bulk (Figura 2). Si è constatato che la conduttività elettrica può essere significantly aumentato attraverso l'ottimizzazione della velocità di riscaldamento SPS (Figura 2A). Questo miglioramento è stato attribuito ad un marcato miglioramento nella mobilità dei portatori in quanto i valori di concentrazione simile coefficiente Seebeck e carrier sono stati ottenuti per campioni densificato sotto differenti velocità di riscaldamento (Figura 2A, riquadro). Microscopio elettronico a scansione hanno dimostrato che la fase secondaria Pr-ricco presente nella polvere come preparato (Figura 2B, riquadro) può parzialmente drogare la regione di bordo di grano durante il processo SPS (Figura 2B). Con l'ottimizzazione appropriata della velocità di riscaldamento SPS, la regione di bordo grano può essere completamente drogato con Pr, nel qual caso un miglioramento nella mobilità dei portatori si osserva (Figura 2C).

Proprietà elettroniche e termiche trasporto delle ceramiche bulk preparate con una velocità di riscaldamento SPS elevata di 300 ° C min - 1 sono stati misurati in funzione otemperatura f e contenuto Pr per calcolare la cifra termoelettrica complessiva di merito (figura 3). Tutti i campioni presentano un comportamento semiconduttore degenerato (cioè, metallico-like) per la conducibilità elettrica (Figura 3A) ed una corrispondente termoelettrico diffusiva-like (Figura 3B). Grande fattore termoelettrica> 1 W m -1 K -1 stato osservato per ceramica con x> 0,075 in un ampio intervallo di temperature raggiungendo un massimo di 1,3 W m -1 K -1 per x = 0,15, corrispondente al 3% al Pr ( Figura 3C). Simultaneamente, una riduzione monotona conducibilità termica è stato osservato con crescente Pr fino ax = 0,15 (Figura 3D). La concentrazione nominale Pr ottimale è risultata essere x = 0,15 per questi campioni. 13 Più del 30% di miglioramento nella figura termoelettrico adimensionale di merito (ZT) per l'intero intervallo di temperatura su tutta precedentemente riportato mvalori MASSIMI stati ottenuti a seguito del miglioramento simultaneo del fattore di potenza termoelettrica e riduzione della conducibilità termica (Figura 3E). 13 Valore massimo ZT di 0,35 è stato ottenuto a 500 ° C. Se le misure devono essere eseguite in atmosfera altamente riducente, valori massimi ZT sopra 0,6 sono previsti a 1.000 ° C inserendo i dati elettroniche di trasporto e termiche sperimentali. La possibilità di ulteriore miglioramento del fattore di potenza a queste temperature, e quindi ZT esiste anche se la concentrazione di vettore può essere ulteriormente aumentata. 30

Figura 1
Figura 1. Profili di diffrazione a raggi X (A) diffrazione di raggi X (XRD) profili di Sr 1 -. X Pr x TiO 3 - polveri δ prima SPSin funzione del contenuto nominale Pr. (B) Visualizzazione ingrandita del rettangolo tratteggiato in (a), (C) profili XRD di Sr 1 - x Pr x TiO 3 - δ con x = 0,075 prima SPS (polvere) e dopo la High-riscaldamento-rate SPS (Ceramic Bulk ). Sono mostrati Fotografie di polvere pressata a freddo dopo la reazione allo stato solido e la relativa ceramica SPSed. (D) vista ingrandita del rettangolo tratteggiato in (C). Ristampato con permesso. 12. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2
Figura 2. Effetto della SPS velocità di riscaldamento. (A) Dipendenza dalla temperatura di conduttività elettrica e Seebeck coefficiente (riquadro) per Sr 1 - x Pr x TiO 3 - ceramica δ con x = 0.075 trattati con due diversi tassi SPS di riscaldamento di 100 ° C min - 1 e 300 ° C min - 1, rispettivamente. (B) di elettroni retrodiffusi (BSE) micrografia della ceramica fatta sotto i 100 ° C min - 1 SPS. Viene mostrato un tipico spettro Pr della scansione linea di EDS in una particella y PrO. (C) Backscattered microscopio elettronico della ceramica fatta in virtù di un ° C min 300 - 1 SPS velocità di riscaldamento. Un tipico spettro Pr di linea EDS scansione su due cereali, grano e grano 1 2, viene mostrato. L'inserto illustra la microfotografia BSE del Sr 0.95 La 0.05 TiO 3 ceramica preparata seguendo la stessa ricetta. Ristampato con il permesso. 12 PLOAD / 52869 / 52869fig2highres.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3. proprietà termoelettriche di trasporto. Dipendenza dalla temperatura (A) conducibilità elettrica (σ), (B) coefficiente Seebeck (α), (C) fattore di potenza (definito come PF = α2σT), (D) conducibilità termica totale e (E ) figura di-merito, ZT per Sr 1 - x Pr x TiO 3 - δ ceramica in funzione del contenuto di Pr. Dipendenza dalla temperatura di riportati valori massimi ZT in letteratura è illustrato per il confronto. 2,25-28 riprodotto con permesso. 12,13_blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

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In questo protocollo, abbiamo presentato i passi della strategia di sintesi al fine di prepararsi con successo policristalline massa Pr-drogato SrTiO 3 ceramica espone migliorate proprietà elettroniche e termoelettriche. Le principali fasi del protocollo comprendono (i) la sintesi a stato solido del drogato SrTiO 3 polvere in aria sotto pressione atmosferica e (ii) sfruttando le capacità della tecnica di sinterizzazione spark plasma per addensare la polvere come preparato in alto Densità ceramiche sfusi e allo stesso tempo per dopare ulteriormente i confini dei grani del campione con Pr. È stato dimostrato che, applicando una velocità di riscaldamento SPS elevata (300-400 ° C min -1) le riflessioni nei modelli di diffrazione di raggi X corrispondente alla fase secondaria (s) sono completamente scomparsi (Figura 1C, D). La velocità di riscaldamento elevata è una delle differenze chiave di questa strategia sintesi con rapporti precedenti in letteratura. 17 Completeincorporazione di droganti Pr nei siti Sr, che portano a valori di concentrazione vettore misura corrispondente al doping nominale valori 12, è uno dei principali risultati di questa strategia di sintesi. Come risultato, sono stati osservati valori di concentrazione superiori carrier per i campioni preparati in questo lavoro confrontandole con i valori riportati in letteratura per i campioni preparati usando altri metodi con stesse concentrazioni droganti nominali. Sfruttando l'ambiente fortemente riducente della camera di sinterizzazione spark plasma (grafite stampo sotto vuoto dinamico ed elevata velocità di riscaldamento) per ridurre la polvere di ossido per creare vacanze di ossigeno come un'altra fonte di elettroni doping differenzia questo protocollo da altri campioni riportati in letteratura preparato sotto Ar 29 o gas di formatura (5-10% H in Ar) 29 atmosfere.

Inoltre, è stato osservato che, applicando un alto tasso SPS riscaldamento, fasi secondarie, che sono principalmenteossido di praseodimio, può drogare localmente le regioni di confine dei grani. Questo drogaggio non uniforme dei campioni ceramici comportato l'osservazione di un marcato miglioramento inatteso nella mobilità dei portatori, fattore termoelettrica, nonché una significativa riduzione della conducibilità termica totale. I dati sperimentali suggeriscono che il miglioramento osservato è correlato alla microstruttura unica della ceramica e la presenza di Pr-ricche regioni di confine. Tali confini non sono stati osservati per l'SrTiO 3 ceramiche drogate con altri droganti come La (Figura 2C, riquadro) o preparati con altri metodi di sintesi riportati in letteratura. Un recente studio teorico da Dawson e Tanaka tenta di spiegare questa osservazione (cioè, perché Pr-doping induce la formazione core-shell e La-doping non fa) per indagare la struttura e l'energetica di Pr- e locale La-drogati SrTiO 3 bordi di grano . 30 I loro calcoli mostrano un lontano stronger vantaggio energetico per Pr-doping di bordi di grano di La-doping. Poiché i risultati di trasporto elettronici non possono essere spiegati con la teoria efficace mezzo, 12 si ritiene che un meccanismo di trasferimento di carica rischia di essere coinvolto nel miglioramento della mobilità del vettore.

I risultati dimostrano che la strategia può essere applicato come un metodo per sintetizzare in strutture composite situ particolare della struttura tipo core-shell. Tuttavia, l'efficienza del drogaggio non uniforme dipende dalla natura delle fasi costituenti il ​​composito. Questo metodo è limitata dal punto delle fasi presenti nel materiale di fusione. Alti tassi di riscaldamento di 300-400 ° C min -1 in locale può fondere il materiale sotto pressione meccanica e sia rompere il campione o modificare le proprietà. Pertanto, questo protocollo è una buona strategia di sintesi da attuare per altri ossidi a causa della loro stabilità ad alta temperatura. L'attenzione dovrebbe essere exerczato quando il metodo viene applicato ad altri materiali termoelettrici. Le condizioni di scintilla tecnica sinterizzazione plasma devono essere ottimizzati prima di applicare la strategia ad altri sistemi di materiali. Va notato che, a causa degli alti tassi di riscaldamento applicate, crescita del grano significativo è previsto se la parte densificazione del protocollo è impiegato su polveri nanosctructured.

Il lavoro futuro per modificare l'attuale protocollo al fine di migliorare ulteriormente le proprietà termoelettriche si concentrerà sull'ottimizzazione simultanea dell'effetto del carico meccanico (60 MPa in questo protocollo), la temperatura ammollo SPS, e tempo di ammollo per ridurre ulteriormente la conducibilità termica , migliorare il fattore di potenza, e di migliorare il tasso di successo della preparazione dei campioni senza fessure.

In conclusione, abbiamo dimostrato l'approccio di sintesi per la preparazione di policristallino bulk Pr-drogato SrTiO 3 ceramiche con Pr-ricca boundarie granos esibendo significativamente migliorate proprietà elettroniche e termoelettriche. La strategia di sintesi utilizzato in questo lavoro può aprire nuovi orizzonti e opportunità ad altre proprietà e applicazioni di questa perovskite ampiamente funzionale in cui si desidera maggiore mobilità dei portatori. Inoltre, l'ingegneria bordo grano utilizzando sinterizzazione scintilla plasma dimostrato in questo lavoro può essere implementata in altri materiali di ossido di modificare le proprietà fisiche.

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Materials

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

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References

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Sintesi di non-uniforme Pr-drogato SrTiO<sub&gt; 3</sub&gt; Ceramica e le loro proprietà termoelettriche
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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

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