Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Syntese av ikke-uniformt Pr-dopet SrTiO Published: August 15, 2015 doi: 10.3791/52869
Automatic Translation
1, 2, 3, 2, 4, 1,2
1Department of Materials Science and Engineering, Clemson University, 2Department of Physics and Astronomy, Clemson University, 3Electron Microscope Facility, Clemson University, 4Materials Science and Engineering, King Abdullah University of Science and Technology

Introduction

Oxide termo ble vist seg å være lovende kandidater for høy temperatur termoelektriske søknader, fra stabilitet og kostnads ​​perspektiver til elektroniske transportegenskaper. Blant de n-type oksid termo, har svært dopet strontium titanat (STO) fått mye oppmerksomhet på grunn av sin spennende elektroniske egenskaper. Men en stor total varmeledningsevne (κ ~ 12 W m -1 K -1 300 K for enkrystaller) 1 og en lav carrier mobilitet (μ ~ 6 cm 2 V -1 sek -1 300 K for enkeltkrystaller) 1 påvirke termo ytelsen som blir evaluert ved en dimensjonsløs graderingsfaktor ugunstig, ZT = α 2 σT / κ, hvor α er Seebeck-koeffisienten, σ den elektriske ledningsevne, T den absolutte temperatur i Kelvin, og κ den totale varmeledningsevne. Vi heri definerer telleren som effektfaktoren, PF = α 263; T. For at denne oksid termoelektriske materialet til å konkurrere med andre høytemperatur termo (som SiGe-legeringer), blir en mer markert økning i effektfaktoren og / eller reduksjon i gitter termisk ledningsevne er nødvendig.

De fleste av de eksperimentelle studier for å forbedre egenskapene til de termo STO har hovedsakelig fokusert på reduksjon av varmeledningsevnen gjennom strekkfeltet og masse svingning spredning av fononer. Disse forsøkene omfatter: (i) Enkelt- eller dobbelt doping av Sr 2+ og / eller Ti 4+ nettsteder, som de viktigste innsats med hensyn til denne retningen, 2,3 (ii) Syntese av naturlig superlattice Ruddlesden-Popper strukturer for ytterligere å redusere den termiske ledningsevnen gjennom isolerende lag SrO, 4 og (iii) Composite teknikk ved tilsetning av en nano andre fase er imidlertid. 5, inntil nylig, ingen forbedring strategi har blitt rapportert å substantially øke termomaktfaktor i disse oksider. De rapporterte maksimal effektfaktor (PF) verdier i bulk single- og poly-krystallinsk STO har vært begrenset til en øvre grense på PF <1,0 W m -1 K -1.

Et utvalg av syntesefremgangsmåter og behandlingsteknikker er blitt anvendt for å gjennomføre de ideer forsøkt ovenfor. Pulversynteseveier inkluderer vanlig solid-state reaksjon, 6 sol-gel, 7 hydrotermale, 8 og forbrenning syntese, 9 mens konvensjonell sintring, seks varmpressing 10 og nylig gnist plasma sint 12 er blant de vanligste teknikkene som brukes til å fortette pulver i bulk keramikk. Imidlertid, for en tilsvarende dopemiddel (f.eks, La) og doping konsentrasjon, de resulterende bulk keramikk oppvise en rekke elektroniske og varmetransportegenskaper. Dette er i stor på grunn av den sterkt prosessavhengige defekt kjemi av SrTiO <sub> 3 som resulterer i syntese avhengige egenskaper. Det er bare en håndfull av rapporter optimalisere syntese og prosessparametere til fordel termotransport. Det er verdt å nevne at på grunn av svært liten fonon bety fri bane i SrTiO 3 (l ph ~ 2 nm ved 300 K), er 11 nanostrukturering ikke et levedyktig alternativ for forbedring av TE ytelsen til bulk STO keramikk primært gjennom reduksjon av gitteret varmeledningsevne.

Nylig rapporterte vi mer enn 30% forbedring i termoelektriske figur av merit i uensartet Pr-dopet SrTiO tre keramikk som stammer fra en samtidig forsterket termomaktfaktor og redusert varmeledningsevne. 12,13 I denne detaljerte video protokollen, presenterer vi og diskutere trinnene vår syntese strategi for utarbeidelse av disse Pr-dopet STO keramikk utstilling forbedrede elektroniske og termoelektriske egenskaper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Utarbeidelse av Pr-dopet SrTiO 3 Powder

  1. For å fremstille 10 g Sr 0,95 0,05 TiO Pr 3 pulver, veie de støkiometriske mengder av SrCO 3 pulver (7,53407 g), TiO 2 nanopowder (4,28983 g), og Pr 2 O 3 sintret klump (0,44299 g) ved å følge reaksjons for x = 0,05:

Ligning 1

  1. Grind suspenderte Pr 2 O 3 sintret klumper til fine partikler ved hjelp av en agat morter.
  2. Tilsett veide SrCO 3 pulver og TiO 2 nanopowder av Pr 2 O 3 og videre maling og blanding ved hjelp av en agat morter og støter inntil et visuelt homogent pulver er oppnådd.
  3. Laster bakken pulver i en glasskrukke og bland ved hjelp av en turbulator i 30 minutter for å homogenisere the-blanding.
  4. Legg i den resulterende blandede pulver i en omhyggelig renset og polert rustfri stålform (1 tomme i diameter) og sandwich det mellom to rustfrie stålstempler.
  5. Cold trykk pulveret bruker en pressekonferanse under en ca 1 tonn last.
  6. Løs ut kaldpresset pellet ved å plassere terningen på en uthulet sylinder i rustfritt stål og presser stemplene og pellet ut fra toppen med en trykkende stang. Ved utstøting av den kaldpressede pellet (green body) fra dysen, rengjøre noen forurensning på den periferiske overflaten av pelleten ved forsiktig å dekke pellet med et lite stykke scotch-tape og fjerne et tynt lag ved å rive båndet.
  7. Plasser pellet vertikalt i en alumina båt fylt med kommersielt innkjøpt SrTiO 3 pulver som barriere mellom båten alumina og den kalde trykk pellet.
  8. Plasser båten i en rørovn, varmes opp til 1300 ° C i 3 timer, og holde den ved denne temperaturen i 15hr. Tillat pelleten til å kjøle ned til romtemperatur inne i ovnen når kalsineringen er over. Dette trinnet blir referert til som "kalsineringsprosessen" deretter.
  9. Slipe pellet ved hjelp av agat morter og støter, og laste det resulterende pulver i en glasskrukke for ytterligere blanding ved hjelp av turbulatoren.
  10. Installering av pulveret inn i dyse av rustfritt stål og kaldpresset under en ca 3 tonn belastning.
  11. Gjenta trinn 1.9 en gang til ved 1400 ° C i 3 timer, og holde den ved denne temperaturen i 20 timer.
  12. Slipe pellet med agat morter.
  13. Gjenta trinn 1,11, 1,12, 1,13 og en mer tid for reaksjonen i fast tilstand for å nå fullførelse.

2. Utarbeidelse av Bulk Polycrystalline Pr-dopet SrTiO 3 Ceramic

  1. Vei opp 1,6 g av det ubearbeidede pulver (for en disk 2 mm tykk og 12,7 mm i diameter).
  2. Forbered sirkulære graphoil brikkene til å dekke toppen og bunnen interface av de klemt pulver og grafitt stempler i grafitt dø. Også, forberede en ny rektangulær graphoil brikke til å dekke den indre vegg av grafitt dysen.
  3. Laster som den fremstilte pulver i en grafitt dyse (12,7 mm indre diameter) og sandwich pulveret mellom to grafittstempler med samme størrelse. Bor et 2 mm hull i midten av lengden av grafitt formen og fra den ytre overflaten av formen til ca. 2 mm fra den indre overflate for temperaturmåling.
    Merk: Juster lengden på grafitt stempler værende utenfor terningen og plassere midten av klemt pulver sylinder hvor hullet er plassert for å få en nøyaktig temperaturmåling. De flater av grafitt stemplene må være omhyggelig flatet under bearbeiding av stykkene. Enhver forskyvning kan resultere i sprekking av sintrede pellets i løpet av tennplasmasintring.
  4. Cold-pressen pulveret forsiktig (last <200 kg) ved hjelp av en presse før montering på tennplasma sintring plate inne i kammeret. Bruk flate polert støtte rustfritt stål plater mellom topp- og bunn stempler og trykk scenen for å unngå å skade grafitt stempler.
  5. Vikle et stykke grafitt følte rundt terningen for isolasjon og fest den med grafitt garn. Tenke ut et vindu på grafitt følt ved å skjære et rektangulært stykke av filten hvor temperaturen lese hullet er plassert på terningen.
  6. Plasser lastet grafitt dø og stempler i tenn plasma sintring kammeret. Flytt scenen til sluttposisjonen.
  7. Fokus og justere pyrometeret target sirkel på temperaturen lesing hullet på terningen. Kontroller at emissivitet innstilling av pyrometeret er satt for grafitt.
  8. Lukk kammeret og sette en 7,7 kN last (ca. 60 MPa) på prøven. Støvsug og rense kammeret med Ar tre ganger og la kammer under dynamiske vakuum av 6 Pa.
  9. Øke temperaturen ved å øke strømmen (manuelt eller ved hjelp av enprogram). Bruk 250 A min -1 (svarende til ca. 300 til 400 ° C min -1) for de optimaliserte prøvene. Dette er det viktigste steget av gnist plasma sintringsprosessen.
  10. Hold temperaturen ved 1500 ° C i 5 min ved manuell justering av strøm eller ved hjelp av programmet. På slutten av den 5 min holde periode, slår strømmen av og slipp den raskt 7,7 kN belastning å unngå sprekker prøven under avkjøling. La prøven avkjøles til romtemperatur inne i kammeret.
  11. Slipp bulk pellet fra grafitt dø forsiktig med kald trykk. Dette gjøres ved å plassere grafitt dysen på et hult stålsylinder og mate ut pelleten og grafitt stemplene ved hjelp av en stålskyvestangen fra toppen.
  12. Fjern graphoil på topp- og bunnflatene av pellets, så vel som omkretsflaten ved hjelp av et skarpt barberblad.
  13. Polere prøven med en grov sand papir (400 grid) ned for 0,3-0,5 mm fra hver side for å sikrefullstendig fjerning av graphoil. Rens prøven med aceton.

3. karakterisering av elektroniske og Thermal transportegenskaper Bulk Keramikk

  1. Bestemme tettheten av keramikkskiven, ρ, ved hjelp av Arkimedes-metoden.
  2. Måle vekten av prøven, W tørr, og vekten av prøven neddykket i vann, W våt, på en stabilisert tetthetsmålesystem og beregne Archimedes tetthet fra

Ligning 2

hvor ρ vann er tettheten av vannet ved måletemperaturen (som er lik 1 g cm -3 ved 300 K). 14

  1. Måle den termiske diffusivitet av prøven, d, ved hjelp av forbigående laser flash-teknikk under et 75 ml min -1 strøm av Ar. Måle tykkelsenav prøven, L, nøyaktig først ved hjelp av et digitalt mikrometer.
    Merk: Parallell-faced prøver med ulike størrelser og former (f.eks runde plater 12,7 mm i diameter eller firkant på 10 x 10 mm 2 disker) og tykkelser mellom 0,5 og 5 mm kan lett måles.
    1. I laser-flash termisk diffusivitet teknikk, bestråler en overflate av prøven med en kort (~ 1 ms) laserpuls og registrere temperaturstigningen på den motsatte side av en infrarød detektor. Deretter beregner termisk diffusivitet av laser-flash-grensesnitt programvare fra tykkelsen til prøven, og temperaturstigningen-tid profil ved hjelp av ligning 15 Parker

Ligning 3

hvor L er tykkelsen av skiven og t 1/2 er halveringstiden for maksimal temperaturstigning på den andre side av prøven.

Merk: Parker modell 15 forutsetter ideelle forhold for adiabatisk prøven og momentan puls oppvarming, andre modeller har blitt foreslått i løpet av årene, som står for ulike tap i målingen som varmetap, endelig pulsvarighet, ujevn puls oppvarming og homogen strukturer. Vi har brukt Cowan modell 16 med puls korreksjon som er en av de mest avanserte metoder. Det bør bemerkes at for å maksimere mengden av termisk energi som overføres fra frontoverflaten, og for å maksimalisere signal observert ved IR-detektoren, må prøven være svært emitterende overflater. Vanligvis krever anvendelse av et tynt lag av grafitt for prøveflatene. En usikkerhet på 2% -5% ved måling av termisk diffusivitet eksisterer, som oppstår ved bestemmelse av dimensjonen. 17

  1. Skjær disken pellet ved hjelp av en diamant så i rektangulære barer, 2 x 2 x 103 mm, elektrisk ledningsevne og Seebeck-koeffisienten målinger samt en kvadratisk disk, 4 x 4 x 1,5 mm 3 for høy temperatur spesifikk varme og et tynt rektangulært stykke, 8 x 5 x 1 mm 3 for Hall-målinger.
  2. Måle den spesifikke varme, C P, av prøven på den flate og speilpolert firkantet stykke (4 x 4 x 1,5 mm 3) ved hjelp av en differensiell scanning-kalorimetri (DSC) under argonstrøm. 18
    1. Bruke en oppvarmingshastighet på 5 K min -1 til 40 ° C for en isoterm vent i 10 min for å tillate prøven å nå termisk likevekt, etterfulgt av 20 min -1 K oppvarmingshastighet på opp til 500 ° C, med en eksakt kjølehastighet som fulgte. Utføre målingen under strøm av argon (50 ml min-1 er foreslått).

Bemerk: På grunn av sensitiviteten av metoden som brukes for analyse, utføre tre målinger for å bestemme varmekapasiteten inkludert (1) utgangsmålinger for å subtrahere bakgrunns, (2) måling av den spesifikke varmen av et standard materiale (slik som safir) med et kjent C-P, og (3) måling av den spesifikke varme av prøven. Sørg for at prøvene er flat og speil-polert for å gjøre en ideell kontakt med bunnen av målingen digelen (Pt / Rh panner med Al 2 O 3 smeltedigler som brukes i dette arbeidet). Flere detaljer om den nøyaktige strukturen i DSC scenen, kan en sammenligning av DSC teknikker til andre, og nøyaktige instruksjoner for måling av en prøve bli funnet i ulike kilder. 19

  1. Beregn høy temperatur termisk ledningsevne, κ, av prøven fra de målte verdier av termisk diffusivitet, d, spesifikk varme, C P, og tettheten, ρ ved hjelp 20

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

  1. Gold plate sondene kontaktpunktene (4 kontakter) på 2 x 2 x 10 mm 3 stykke skåret fra prøven for å lindre kontaktmotstanden problemer.
    1. For å frese gull bare på de ønskede kontaktområdene, vikle en scotch-tape rundt 2 x 2 x 10 mm tre prøve å bruke som en sjablong. La 2 x 2 mm 2 ansikter un-dekket. Ved hjelp av et barberblad, kuttet ut to meget små hull (ca. 1 mm i diameter) i midten av 2 x 10 mm 2 ansikt langs en ​​linje adskilt av sonder avstand.
    2. Frese en ~ 200 nm tykk gull film ved hjelp av en benk-top gull sputtering enhet. 21
  2. Måle de elektriske transportegenskaper, nemlig den elektriske ledningsevne og Seebeck-koeffisienten) i prøven som en funksjon av temperaturen 22,23.
    1. Måle elektrisk ledningsevne ved hjelp av fire-terminale metoden. Mål Seebeck koeffisient på same setup ved hjelp av målinger av temperatur og spenning via de to midterste termo "probes". Mål avstanden mellom de to probene med et digitalt mikroskop. Flere detaljer om de elektriske transport målingene kan finnes andre steder. 22,23
  3. Mål Hall bæreren konsentrasjon som en funksjon av temperatur på 8 x 5 x 1 mm 3 prøve ved anvendelse av en Fysiske egenskaper målesystem. 24

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Røntgen diffractions mønstre ble oppsamlet for de som fremstilte pulvere og de ​​tilsvarende bulk keramikk som en funksjon av Pr-innhold (figur 1) for å studere virkningen av Pr-doping på SrTiO 3 gitter, løseligheten av Pr i SrTiO 3 og dannelsen av sekundære fase (r). Mønstrene bekrefter dannelsen av SrTiO 3 fase i alle de som fremstilte pulvere hvor refleksjonene kan indekseres til et kubisk gitter med romgruppe (figur 1A). Den monoton endring i det indekserte gitterparameter a = fra 3,906 til x = 0 (udopet) med økende innhold Pr bekrefter forvrengning av gitteret ved inkorporering av mindre Pr 3 + 2 + -ioner i Sr områder. Svake refleksjoner ble også observert for x> 0.05, som svarer til den mellomliggende praseodymoksid fase (f.eks, Pr 5 O 9), som øker med økende intensitet nominell Pr konsentrasjon ( (figur 1C, d).

En syntese-struktur-eiendommen forholdet studie ble utført for å forstå effekten av SPS oppvarmingshastigheten og den observerte sekundærfasen på de elektroniske transportegenskaper. Scanning elektronmikroskopibilder ble ervervet i forbindelse med energi-dispersiv røntgen-spektra for å undersøke effekten av syntesen og fortettingsparametrene, spesielt tennplasmasintring oppvarmingshastighet på morfologi og kjemisk korn og korngrensene (figur 2). Synthesis- (mikro) struktur-egenskap forhold ble undersøkt ved å overvåke temperaturavhengighet av elektroniske transportegenskaper bulk keramikk (figur 2). Det ble funnet at den elektriske ledningsevne kan være significantly økt gjennom optimalisering av SPS oppvarmingshastigheten (figur 2A). Forbedringen skyldes en markant forbedring i bære mobilitet siden ligner Seebeck koeffisient og bærekonsentrasjonsverdier ble oppnådd for prøver fortettet under ulike oppvarmingshastigheter (figur 2A, innfelt). Scanning elektronmikroskopibilder har vist at Pr rike sekundærfase er tilstede i så forberedt pulver (figur 2B, innfelt) kan delvis dope korngrenseområdet under SPS fremgangsmåten (figur 2B). Ved passende optimalisering av SPS oppvarmingshastigheten, kan korngrenseområdet bli fullstendig dopet med Pr, i hvilket tilfelle en forbedring i bærermobilitet er observert (figur 2C).

Elektronisk og termiske transportegenskaper bulk keramikk fremstilt med en høy SPS oppvarmingshastighet på 300 ° C min - 1 ble målt som en funksjon of temperatur og Pr-innhold for å beregne den totale termograderingsfaktor (figur 3). Alle prøvene utviser en degenerert halvledende atferd (dvs. metallic-aktig) for elektrisk ledningsevne (figur 3A) og en tilsvarende diffusive lignende thermopower (figur 3B). Store varmekraftverk faktor> 1 W m K -1 -1 ble observert for keramikk med x> 0,075 i et bredt temperaturområde når et maksimum på 1,3 W m K -1 -1 for x = 0,15, tilsvarende 3% ved Pr ( Figur 3C). Samtidig ble en monoton reduksjon i termisk ledningsevne observert med økende Pr opp til x = 0,15 (figur 3D). Den optimale nominelle Pr-konsentrasjonen ble funnet å være x = 0,15 for disse prøver. 13 Mer enn 30% forbedring i den dimensjonsløse termoelektriske graderingsfaktor (ZT) for hele temperaturområdet over alt som tidligere er rapportert maximum verdier ble oppnådd som et resultat av den samtidige forbedring i det termoeffektfaktor og reduksjon i termisk ledningsevne (figur 3E). 13 Maksimum ZT-verdi på 0,35 ble oppnådd ved 500 ° C. Dersom målingene skal utføres i henhold til en sterkt reduserende atmosfære, maksimalt ZT-verdier over 0,6 sies ved 1000 ° C ved hjelp av de eksperimentelle elektronisk og termisk transport data. Muligheten for ytterligere forbedring av effektfaktoren ved disse temperaturer, og dermed ZT eksisterer også hvis transportøren konsentrasjonen kan økes ytterligere. 30

Figur 1
Figur 1. Røntgendiffraksjonsstudier profiler (A) røntgendiffraksjon (XRD) profiler av Sr 1 -. X Pr x TiO 3 - δ pulver før SPSsom en funksjon av nominell Pr innhold. (B) Forstørret visning av den stiplede rektangelet i (a), (C) XRD profiler av Sr 1 - x Pr x TiO 3 - δ med x = 0,075 før SPS (Powder) og etter høy varme-rate SPS (Bulk Ceramic ). Fotografier av kaldpresset pulver etter fast-fasereaksjon, og den tilsvarende SPSed keramiske vises. (D) Forstørret visning av den stiplede rektangelet i (C). Gjengitt med tillatelse. 12. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Effekt av SPS oppvarmningshastighet. (A) temperaturavhengigheten til elektrisk ledningsevne og Seebeck koeffisient (innfelt) for Sr 1 - x Pr x TiO 3 - δ keramikk med x = 0,075 behandlet ved hjelp av to forskjellige SPS oppvarmingshastigheter på 100 ° C min - 1 og 300 ° C min - 1, henholdsvis. (B) tilbakespredte elektron (BSE) mikrofotografi av det keramiske gjøres under 100 ° C min - 1 SPS. En typisk Pr spekteret av EDS linje scan over en pro y partikkel vises. (C), tilbakespredte elektronmikrofotografi av det keramiske laget under 300 ° C min - en SPS oppvarmingshastighet. En typisk Pr spekter av EDS linje skanne over to korn, korn 1 og korn 2, vises. Den innfelte viser BSE mikrofotografi av den Sr 0,95 0,05 La TiO tre keramiske fremstilt ved å følge den samme oppskrift. Gjengitt med tillatelse. 12 pload / 52869 / 52869fig2highres.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Termotransportegenskaper. Temperaturavhengigheten av (A) elektrisk ledningsevne (σ), (B) Seebeck-koeffisient (α), (C) effektfaktor (definert som PF = α2σT), (D) total varmeledningsevne og (E ) Fig-of-fortrinn, ZT for Sr 1 - x x TiO Pr 3 - δ keramikk som en funksjon av Pr innhold. Temperatur avhengighet av rapporterte maksimums ZT verdier i litteraturen er vist for sammenligning. 2,25-28 Gjengitt med tillatelse. 12,13_blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne protokollen, har vi presentert trinnene i syntesen strategi for å kunne forberede bulk polykrystallinske Pr-dopet SrTiO tre keramikk utstilling forbedrede elektroniske og termoelektriske egenskaper. De viktigste trinnene i protokollen omfatter (i) SSD-syntese av dopet SrTiO tre pulver i luften under atmosfærisk trykk og (ii) dra nytte av mulighetene i gnist plasma sintring teknikk for å fortette som forberedt pulver i høy- Bulk tetthet keramikk og samtidig ytterligere å dope korngrensene av prøven med PR. Det ble vist at ved å bruke en høy SPS oppvarmingshastighet (300-400 ° C min -1) refleksjoner i røntgen-diffraksjonsmønstrene som svarer til den sekundære fase (r) er fullstendig forsvunnet (figur 1C, d). Den høye oppvarmingshastigheten er en av de viktigste forskjellene i denne syntesen strategi med tidligere rapporter i litteraturen. 17 Komplettinkorporering av PR dopemidler i Sr områder, noe som fører til målte bærekonsentrasjonsverdier som svarer til den nominelle verdier doping 12, er en av de viktigste oppnådd med denne syntesestrategien. Som et resultat, var høyere bærerkonsentrasjonsverdier observert for prøvene fremstilt i dette arbeidet sammenligne med de verdier som er rapportert i litteraturen for prøvene fremstilt ved hjelp av andre metoder med samme nominelle dopekonsentrasjoner. Å dra nytte av den svært reduserende atmosfære av gnist plasma sintring kammer (grafitt dø under dynamiske vakuum og høy oppvarmingshastighet) for å redusere oksydpulveret for å skape oksygen ledige stillinger som en annen kilde til elektron doping skiller også denne protokollen fra andre prøver som er rapportert i litteraturen fremstilt under Ar 29 eller prosessgass (5-10% H i Ar) 29 atmosfærer.

Videre ble det observert at ved å bruke en høy SPS oppvarmingshastighet, sekundære faser, som er i hovedsakpraseodymoksid kan lokalt dope korngrenseregionene. Denne ikke-uniform doping av de keramiske prøvene resulterte i observasjon av en uventet markert forbedring i bærermobilitet, varmekraftverk faktor så vel som en signifikant reduksjon i den totale varmeledningsevne. De eksperimentelle data tyder på at den observerte forbedring er korrelert til den unike mikrostrukturen til keramikk og tilstedeværelsen av Pr-rike grenseområder. Slike grenser ble ikke observert for SrTiO 3 keramikk dopet med andre tilsatsstoffer som La (figur 2C, innfelt) eller fremstilles sammen med andre syntesemetoder som er rapportert i litteraturen. En fersk teoretisk studie av Dawson og Tanaka forsøker å forklare denne observasjonen (dvs. hvorfor Pr-doping induserer kjerne-skall formasjon og La-doping ikke) ved å undersøke den lokale struktur og energetics av PR og La-dopet SrTiO tre korngrensene . 30 Beregningene deres viser en langt stronger energisk fordel for Pr-doping av korngrensene enn La-doping. Siden de elektroniske transport resultatene ikke kunne forklares med effektivt medium teori, 12 er det antatt at et ladningsoverføringsmekanisme er sannsynlig å være involvert i bæreren mobilitet forbedring.

Resultatene viser at strategien kan brukes som en metode for å syntetisere in situ sammensatte konstruksjoner særlig av kjerne-skall type struktur. Men effektiviteten av den ikke-uniform doping avhenger av arten av de bestanddeler faser av kompositten. Denne metoden er begrenset av smeltepunktet av fasene som er tilstede i materialet. Høye oppvarmingshastigheter på 300-400 ° C min -1 kan lokalt smelte materialet under mekanisk trykk og enten knekke prøve eller endre egenskapene. Derfor er denne protokollen en god syntesestrategi for å bli implementert med andre oksyder på grunn av sin høye temperaturstabilitet. Forsiktighet bør være exercnisert når fremgangsmåten anvendes på andre termoelektriske materialer. Betingelsene for gnist plasma sintring teknikk må optimaliseres før påføring av strategien til andre materialer systemer. Det bør bemerkes at på grunn av den høye oppvarmingshastigheter anvendes, er betydelig kornvekst forventes dersom fortetting del av protokollen blir anvendt på nanosctructured pulvere.

Videre arbeidet for å modifisere den aktuelle protokoll for å ytterligere forbedre de termoelektriske egenskaper vil fokusere på den samtidige optimalisering av virkningen av den mekaniske belastningen (60 MPa i denne protokoll), SPS fuktetemperaturen, og bløtleggingstiden for ytterligere å redusere den termiske ledningsevnen , bedre effektfaktor, og for å bedre suksessrate på utarbeidelse av crack-fri prøver.

Som konklusjon, har vi vist syntese metode for fremstilling av bulk polykrystallinske Pr-dopet SrTiO 3 keramikk med Pr-rike korn boundaries utstilling vesentlig forbedrede elektroniske og termoelektriske egenskaper. Syntesen strategi benyttes i dette arbeidet kan åpne nye horisonter og muligheter til andre egenskaper og anvendelser av denne bredt funksjonell perovskitt hvor høyere carrier mobilitet er ønsket. Videre kan korngrenseteknikk ved hjelp av tennplasmasintring demonstrert i dette arbeidet gjennomføres i andre oksydmaterialer for å modifisere de fysikalske egenskaper.

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).

Tags

Kjemi Oxide Termo Praseodymium SrTiO Enhanced figur of Merit Enhanced Power Factor N-type Semiconductor Mobility Enhancement Grain Boundary Engineering
Syntese av ikke-uniformt Pr-dopet SrTiO<sub&gt; 3</sub&gt; Keramikk og deres Termo Properties
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mehdizadeh Dehkordi, A.,… 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