Login processing...

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

Chemistry

Синтез неравномерно Пр-легированного 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

Оксид термоэлектрики было показано, что перспективными кандидатами для высокотемпературных термоэлектрических приложений, из устойчивости и стоимости перспективы в электронных свойств транспорта. Среди оксидных термоэлектрических п-типа, высокопримесная титаната стронция (STO) привлек много внимания из-за его интригующих электронных свойств. Тем не менее, большая общая теплопроводность (κ ~ 12 Вт м -1 К -1 при 300 К для монокристаллов) 1 и низкой подвижности носителей (μ ~ 6 см 2 В -1 с -1 при 300 К для монокристаллов) 1 отрицательно влиять на производительность термоэлектрический который оценивается безразмерной добротности, ZT = α 2? t / κ, где α является коэффициент Зеебека, σ электропроводности, Т абсолютная температура в градусах Кельвина, а κ общее теплопроводность. В данном Определим числитель как коэффициент мощности, PF = α 263, Т. Для того, чтобы этого оксида термоэлектрического материала, чтобы конкурировать с другими термоэлектриков высокотемпературных (например, SiGe сплавов), более выраженное повышение коэффициента мощности и / или уменьшение теплопроводности решетки требуется.

Большинство экспериментальных исследований с целью улучшения термоэлектрических свойств STO в основном фокусировались на снижение теплопроводности через деформационного поля и масса флуктуаций рассеяния фононов. Эти попытки включают в себя: (I) с одним или двумя легирование Sr 2+ и / или Ti 4+ сайты, а основные усилия в отношении этого направления, 2,3 (II) Синтез природных сверхрешетки Ruddlesden-Поппер структур для того, чтобы дополнительно уменьшить теплопроводность через изоляционный слой SRO, 4 и (III) композитный инженерии добавлением наноразмерного второй фазы. 5 Однако до недавнего времени, ни одна стратегия повышение не было сообщено substantially увеличить термоэлектрического коэффициента мощности в этих оксидов. В сообщил максимальный коэффициент мощности (PF) значения в объемной одно- и поли-кристаллического СТО были приурочены к верхнему пределу ПФ <1,0 Вт м -1 K -1.

Разнообразие подходов синтеза и методов обработки были использованы для реализации идеи пытались выше. В пути синтеза порошка включают обычные твердофазной реакции, 6 золь-гель, 7 гидротермальной, 8 и сгорание синтез, 9, тогда как обычном спекании, 6 горячего прессования 10 и недавно искры плазмы спекания 12 среди общих методов, используемых для уплотнения порошков в объемной керамики. Тем не менее, для аналогичного легирующей примеси (например, La) и концентрации легирующей примеси, полученные в результате объемной керамики демонстрируют спектр электронных и тепловых свойств транспортных. Это большой из-за сильно зависит от процесса дефекта химии SrTiO <суб> 3, что приводит к свойствам синтеза-зависимыми. Существует лишь несколько отчетов оптимизации синтеза и обработки параметров в пользу термоэлектрический транспорта. Стоит отметить, что из-за очень малого свободного пробега фононов в SrTiO 3рН ~ 2 нм при 300 К), 11 наноструктурирование не жизнеспособным вариантом для улучшения производительности TE сыпучих STO керамики, прежде всего, за счет сокращения в решеточной теплопроводности.

Недавно мы сообщили о более чем 30 улучшение термоэлектрической в неравномерно Пр-легированных SrTiO 3 керамики, происходящих из одновременно расширенной коэффициента термоэлектрической мощности% и снижение теплопроводности. 12,13 В этом подробном протоколе видео, мы представляем и обсудить шаги нашей стратегии синтеза для получения этих Pr-легированного STO керамики, обладающие улучшенными электронные и термоэлектрические свойства.

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. Подготовка Пр-легированного SrTiO 3 порошок

  1. Для того чтобы приготовить 10 г Sr 0,95 Pr 0,05 TiO 3 порошка взвешивают стехиометрических количеств SrCO 3 порошка (7,53407 г), нанопорошка TiO 2 (4,28983 г) и Pr 2 O 3 спеченный комок (0,44299 г) после реакции для х = 0,05:

Уравнение 1

  1. Измельчить взвешенные Pr 2 O 3 спеченных комков в мелких частиц с использованием агатовой ступки и пестика.
  2. Добавить взвешенную SrCO 3 порошок и TiO 2 нанопорошка в Pr 2 O 3 и продолжить измельчения и смешивания не используя агатовой ступки и пестика, пока визуально однородной порошок достигнута.
  3. Загрузка измельченного порошка в стеклянную банку и смешать с использованием турбулизатор в течение 30 мин для гомогенизации йе смесь.
  4. Загрузите полученный смешанный порошок в дотошно очищенную и полированной нержавеющей стали умирают (1 дюйм в диаметре) и сэндвич его между двумя поршнями из нержавеющей стали.
  5. Холодный пресс-порошок, используя нажмите под примерно 1 метрическую тонну груза.
  6. Извлечение холодного отжима осадка путем размещения штампа на полой цилиндр из нержавеющей стали и толкает поршни и осадок из верхней помощью толкатель. По выброса холодного отжима осадка (зеленый тела) из матрицы, очистить любое загрязнение на периферийной поверхности гранул, осторожно покрытия гранул с небольшим куском скотча и удаление тонкого слоя, разрывая ленту.
  7. Поместите шарик вертикально в лодке алюминия, заполненного купленных SrTiO 3 порошка в качестве барьера между лодке алюминия и холодной пресс гранул.
  8. Поместите судно в трубчатой ​​печи, нагревают до 1300 ° С в 3 часов и держать его при этой температуре в течение 15ч. Разрешить осадок остыть до комнатной температуры внутри печи, когда прокаливание закончилась. Этот шаг называют "процесса прокаливания" после этого.
  9. Измельчите таблетку с использованием агатовой ступки и пестика и загрузить полученный порошок в стеклянную банку для дальнейшего смешивания с использованием турбулизатор.
  10. Загрузка порошка в пресс-форму из нержавеющей стали и холодному прессованию под приблизительно 3 тонн нагрузки.
  11. Повторите шаги 1,9 еще один раз при 1400 ° С в 3 часов и держать его при этой температуре в течение 20 часов.
  12. Измельчите таблетку с использованием агатовой ступки и пестика.
  13. Повторите шаги 1.11, 1.12, 1.13 и еще раз для твердотельного реакция, чтобы достичь к завершению.

2. Подготовка массовых поликристаллический Пр-легированного SrTiO 3 Ceramic

  1. Взвешивают 1,6 г в подготовленной порошка (для диска толщиной 2 мм и 12,7 мм в диаметре).
  2. Подготовка круговые графитового части, чтобы покрыть верхнюю и нижнюю Interface из зажатых порошка и графита плунжеров в графитовой матрице. Кроме того, готовят другую прямоугольную часть графитового чтобы покрыть внутреннюю стенку графитового штампа.
  3. Нагрузка приготовлени порошка в графитовой матрицей (12,7 мм внутренний диаметр) и сэндвич порошка графита между двумя плунжерами такого же размера. Дрель 2-мм отверстие в середине длины графитовой матрицы и с внешней поверхности фильеры до приблизительно 2 мм от внутренней поверхности для чтения температуры.
    Примечание: Отрегулируйте длину графитовых плунжеров оставшихся вне фильеры и положение центра зажатой порошка цилиндр, где находится отверстие, чтобы получить точные показания температуры. Лица графитовых плунжеров необходимо тщательно выровнены при обработке кусков. Любое смещение может привести к растрескиванию спеченного гранул во искры плазмы спекания.
  4. Холодный пресс-порошок мягко (нагрузка <200 кг) с использованием пресса до монтажа на искрыплазмы спекания пластина внутри камеры. Использование плоских полированных поддержки пластин из нержавеющей стали между верхней и нижней плунжерами и пресс стадии, чтобы избежать повреждения графитовых плунжеров.
  5. Оберните кусок графита чувствовал вокруг штампа для изоляции и закрепите его с графитовым пряжи. Разрабатывают окно в графитовый войлок путем разрезания прямоугольной кусок войлока, где температура чтение отверстие находится на матрице.
  6. Поместите загруженный графитовый кубик и поршни в искра плазмы спекания камере. Перемещение этап в конечном положении.
  7. Фокус и выровнять Пирометр целевой круг на показания температуры отверстия фильеры. Убедитесь, что параметр излучения пирометра устанавливается для графита.
  8. Закройте камеру и положить 7,7 кН нагрузки (примерно 60 МПа) на образце. Вакуумная и очистить камеру с Ar три раза и оставьте камеру при динамическом вакууме 6 Па.
  9. Повышение температуры при увеличении тока (вручную или с помощьюПрограмма). Используйте 250 A мин -1 (соответствующий примерно 300-400 ° С мин -1) для оптимизированных образцов. Это самый важный шаг в процессе спекания искра плазмы.
  10. Поддерживайте температуру в 1500 ° С в течение 5 мин с ручной регулировкой тока или с помощью программы. В конце 5 мин холдинга период, закрыл ток от и быстро отпустите 7.7 кН нагрузки, чтобы избежать трещин образец в течение охлаждения. Пусть образец остыть до комнатной температуры внутри камеры.
  11. Отпустите объемную осадок от графита умереть мягко помощью холодного отжима. Это делается путем размещения графитового штампа на полой стальной цилиндр и извлечение осадка и графитовые поршни с помощью стальной толкатель сверху.
  12. Снимите графитового на верхней и нижней граней гранул, а также по окружности поверхности с использованием острым лезвием бритвы.
  13. Польский образец с использованием грубой наждачной бумагой (400) сетки вниз по 0,3-0,5 мм с каждой стороны, чтобы обеспечитьполное удаление графитового. Очистите образца с ацетоном.

3. Характеристика электронных и тепловой Транспорт свойства объемной керамики

  1. Определить плотность керамического диска, ρ, с помощью метода Архимеда.
  2. Измерение веса образца, W сухой, а затем вес образца, погруженного в воду, W влажный, на стабилизированной системы измерения плотности и расчета плотности Архимеда из

Уравнение 2

где ρ воды представляет собой плотность воды при температуре измерения (например, равен 1 г см -3 при 300 К). 14

  1. Измерьте температуропроводности образца, D, используя переходный технику лазерного флэш-под мин -1 потока 75 мл Ar. Измерьте толщинуобразца, L, точно первая с использованием цифрового микрометра.
    Примечание: Параллельная лицом образцы с различных размеров и форм (например, круглые диски диаметром 12,7 мм в диаметре или площади 10 х 10 мм 2 дисков) и толщин от 0,5 до 5 мм можно легко измерить.
    1. В лазерной технике флэш температуропроводность, облучать одну грань образца на короткий (~ 1 мс) лазерного импульса и записать рост температуры на противоположной стороне по инфра-красный детектор. Затем рассчитать коэффициент температуропроводности с помощью программного обеспечения лазерной вспышки интерфейса от толщины образца и повышение температуры-времени профиль, используя уравнение Parker 15

Уравнение 3

где L представляет собой толщину диска и T 1/2 составляет половину времени максимального подъема температуры друга сIDE образца.

Примечание: Паркер модель 15 предполагает идеальные условия адиабатического образца и мгновенного импульсного нагрева, другие модели были предложены на протяжении многих лет, на долю которых приходится на различные потери при измерении таких как тепловые потери, продолжительность импульса конечной, неравномерный нагрев импульса и неоднородное структуры. Мы использовали модель Cowan 16 с коррекцией импульса, который является одним из самых передовых методов. Следует отметить, что для того, чтобы максимально увеличить количество тепловой энергии, передаваемой от передней поверхности и максимального сигнала, наблюдаемые в ИК-детектор, образец поверхности должны обладать высокой эмиссионной. Обычно это требует применения тонким слоем графита на поверхности образцов. Неопределенность 2% -5% при измерении температуропроводности существует, вытекающие из определения размера. 17

  1. Вырезать диска осадок, используя алмазную пилу в прямоугольных брусков, 2 х 2 х 103 мм, электропроводность и измерения коэффициента Зеебека, а также площади диска, 4 х 4 х 1,5 мм 3 для высокотемпературной теплоемкости и тонкой прямоугольной части, 8 х 5 х 1 мм 3 для измерения Холла.
  2. Измерьте удельную теплоемкость, C р, образца на плоской и зеркальной полировкой квадратный кусок (4 х 4 х 1,5 мм 3) с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) под потоком аргона. 18
    1. Использование скорости нагрева 5 К мин -1 до 40 ° С в течение изотермической выдержки в течение 10 мин, чтобы позволить образец на тепловое равновесие, а затем 20 К скорость нагрева мин -1 до 500 ° С, с точной скоростью охлаждения который следовал. Выполните измерение в потоке аргона (50 мл мин-1 предлагается).

Примечание: Из-за чувствительности метода, используемого для анализа, провести три измерения, чтобы определить теплоемкость в том числе (1) Измерение базовой вычитания фона, (2) измерение теплоемкости стандартный материал (например, сапфира) с известным C P, и (3) Измерение удельной теплоемкости образца. Убедитесь, что образцы являются плоскими и зеркально-полированной, чтобы сделать идеальный контакт с нижней части тигля измерения (Pt / Rh кастрюли с Al 2 O 3, тигли, используемые в этой работе). Подробнее о точном составе этапе DSC, сравнение методов ДСК для других, и точных инструкций для измерения образец можно найти в различных источниках. 19

  1. Рассчитать высокотемпературную теплопроводность, κ, пробы из измеренных значений температуропроводности, D, теплоемкости, С Р, и плотности, ρ, используя 20

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

  1. Золото пластина зонды контактные точки (4) контакты на 2 х 2 х 10 мм 3 шт вырезать из образца, чтобы облегчить проблемы контактного сопротивления.
    1. Для распыления золота только на желательных контактных площадок, обернуть скотч-ленты вокруг образца 2 х 2 х 10 мм 3 для использования в качестве трафарета. Оставьте 2 х 2 мм 2 лица непокрытыми. Использование лезвие бритвы, вырезать 2 очень маленькие отверстия (примерно 1 мм в диаметре) в середине 2 х 10 мм 2 лица вдоль линии, разделенных на расстоянии зондов.
    2. Sputter в ~ 200 нм толщиной пленки золота с использованием настольного блока золотое напыление. 21
  2. Измерения электрических транспортных свойств, а именно электропроводности и коэффициента Зеебека) образца в зависимости от температуры 22,23.
    1. Измерение электропроводности с помощью четырех-концевой метод. Измерьте коэффициент Зеебека на Сэмае настройка с помощью измерения температуры и напряжения с помощью двух средних термопар "зондов". Измерьте расстояние между этими двумя зондами с использованием цифровой микроскоп. Подробнее о электрических измерений транспортных можно найти в другом месте. 22,23
  3. Измерение концентрации носителей Холла как функции температуры на 8 х 5 х 1 мм 3 образца с использованием системы измерения физических свойств. 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

Рентгеновские дифракции модели были собраны для, как подготовленных порошков и соответствующих объемных керамики в зависимости от Pr-контента (рисунок 1) для того, чтобы изучить влияние Pr-легирования на SrTiO 3 решетку, растворимость Pr в SrTiO 3 и формирование вторичной фазы (ов). Модели подтвердить образование SrTiO 3 фазы во всех, как подготовленных порошков, где отражения могут быть проиндексированы в кубической решетке с пространственной группой (рис 1А). Монотонная изменение индексируемой решетки из = 3,906 для х = 0 (нелегированного) с увеличением содержания Pr подтверждает искажение решетки при регистрации небольших Pr 3+ в Sr 2+ сайтов. Слабые отражения наблюдались для х> 0,05, что соответствует фазе оксида празеодима промежуточный (например, Pr 5 O 9), которые увеличивают интенсивность с увеличением номинальной концентрации Pr ( (рис 1C, D).

Исследование отношения синтез-структура-свойство было проведено для того, чтобы понять влияние скорости нагрева SPS и наблюдаемой средней фазы на электронных свойств транспорта. Сканирование электронной микрофотографии были приобретены в сочетании с энергией-дисперсионные рентгеновских спектров для изучения влияния синтеза и уплотнения параметров, в частности, вызвать скорость нагрева плазмы спекания, по морфологии и химии зерен и на границах зерен (рис 2). Synthesis- (микро) структура-свойство отношения были исследованы путем мониторинга температурная зависимость электронных транспортных свойств объемной керамики (рис 2). Было обнаружено, что электропроводность может быть significanTLY увеличена за счет оптимизации скорости нагрева SPS (рис 2А). Это улучшение было отнести к заметному увеличению подвижности носителей, поскольку аналогичное коэффициент Зеебека и носители значения концентрации были получены образцы уплотненной в различных скоростях нагрева (рис 2А, вставка). Сканирующие электронные микрофотографии показали, что Pr богатых вторичная фаза присутствует в качестве подготовленного порошка (фиг.2В, вставка) может частично легировать области границ зерен в процессе SPS (фиг.2В). К соответствующей оптимизации скорости нагрева SPS, межзеренной области, могут быть полностью легированный Pr, и в этом случае повышение в подвижности носителей наблюдается (фиг.2С).

Электронные и тепловые транспортные свойства объемной керамики, приготовленных с высокой скоростью нагрева SPS 300 ° C мин - 1 измеряли, как функции OТемпература е и контент Pr для того, чтобы рассчитать общую термоэлектрической (Рисунок 3). Все образцы демонстрируют полупроводниковый вырожденный поведение (т.е., металлический-подобный) на электрическую проводимость (фиг.3А) и соответствующей диффузионно-типа термоэдс (фиг.3В). Большой термоэлектрический коэффициент мощности> 1 Вт м -1 К -1 наблюдалось для керамики с х> 0,075 в широком диапазоне температур, достигнув максимума в 1,3 Вт м -1 K -1 при х = 0,15, что соответствует 3% на Pr ( Фигура 3С). Одновременно, монотонная снижение теплопроводности наблюдается с увеличением Pr до х = 0,15 (рис 3D). Оптимальная номинальная концентрация Pr было установлено, что х = 0,15 для этих образцов. 13 Более 30% улучшение в безразмерной термоэлектрической (ZT) для всей области температур в течение всего сообщалось ранее мЗначения aximum были достигнуты в результате одновременного повышения в термоэлектрического коэффициента мощности и уменьшения теплопроводности (рис 3Е). 13 Максимальное значение ZT 0,35 была получена при 500 ° C. Если измерения должны быть выполнены в соответствии с высокой восстановительной атмосфере, максимальные значения ZT выше 0,6 прогнозируются на 1000 ° С с помощью подгонки экспериментальных данных транспортных электронные и тепловые. Возможность дальнейшего улучшения коэффициента мощности при этих температурах, и, следовательно, ZT также существовать, если концентрация носителей может быть дополнительно увеличена. 30

Фигура 1
Рисунок 1. Рентгенограммы профили () дифракции рентгеновских лучей (ДРЛ) профили Sr 1 - х. Пр х TiO 3 - δ порошки перед SPSв зависимости от номинального содержания Pr. (Б) Увеличенный вид пунктирной прямоугольника в (), (С) ДРЛ профили Sr 1 - х Pr х TiO 3 - δ с х = 0,075, прежде чем СПС (порошок) и после высокого нагрева ставки SPS (массовых керамические ). Фотографии холодного отжима порошка после твердофазной реакции и соответствующего SPSed керамики приведены. (D) вид в увеличенном масштабе пунктиром прямоугольника в (C). Печатается с разрешения. 12. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2
Рисунок 2. Влияние скорости нагрева SPS. () Температурная зависимость электропроводности и Зеебека коэффициент (вставка) для Sr 1 - х Pr х TiO 3 - δ керамика с х = 0,075 обрабатываются с использованием двух различных скоростей нагрева СФС 100 ° C мин - 1 и 300 ° C мин - 1, соответственно. (B), отраженных электронов (BSE) микрофотография керамической сделал под 100 ° С мин - 1 СПС. Типичный Pr спектр строчной развертки через EDS про у частицы показано. (С) Backscattered электронная микрофотография керамической сделано под ° C мин 300 - 1 SPS скорости нагрева. Типичный Пр спектр EDS линии сканирования между двумя зерна, зерновых и зерновых 1 2, показано. На вставке показана БФБ микрофотография Sr 0,95 0,05 TiO Ла 3 керамики, подготовленный следующий же рецепту. Печатается с разрешения. 12 pload / 52869 / 52869fig2highres.jpg "цель =" _ пустое "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3. Термоэлектрические транспортные свойства. Температурная зависимость (A) электрической проводимости (σ), (B) коэффициент Зеебека (α), (С) коэффициент мощности (PF определяется как = α2σT), (D), общая теплопроводность и ) показатель добротности, ZT для Sr 1 - х Pr х TiO 3 - δ керамика в зависимости от содержания Pr. Температурная зависимость зарегистрированных максимальных значений ZT в литературе приведены для сравнения. 2,25-28 Воспроизводится с разрешения. 12,13_blank "> Нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

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

В этом протоколе, мы представили этапы стратегии синтеза для того, чтобы успешно подготовить основная поликристаллических PR-легированного SrTiO 3 керамику, обладающие улучшенными электронные и термоэлектрические свойства. Основные этапы протокола включают (I) твердотельный синтез легированного SrTiO 3 порошка в воздухе при атмосферном давлении и (II) Воспользовавшись возможностями техники искры плазмы спекания для уплотнения, как подготовленный порошок в высоко- насыпная плотность керамики и в то же время для дальнейшего допинг границы зерен образца с Pr. Было показано, что, применяя высокую скорость нагрева SPS (300-400 ° С мин -1) отражения в рентгеновских дифракционных картин, соответствующих второй фазы (ы) полностью исчезли (рис 1в, г). Высокая скорость нагрева является одним из ключевых отличий этой стратегии синтеза с предыдущими докладами в литературе. 17 ПолныйВключение Pr примесей в Sr сайтов, которые приводят к измеренные значения концентрации носителей, соответствующая номинальной допинга значения 12, является одним из главных достижений этой стратегии синтеза. В результате значения концентрации носителей выше, наблюдались в образцах, приготовленных в этой работе по сравнению со значениями, описанными в литературе для образцов, полученных с использованием других методов с одинаковой номинальной концентрации легирующих. Воспользовавшись высоко восстановительной атмосфере искра плазмы камере спекания (графита матрицы при динамическом вакууме и высокой скорости нагрева), чтобы уменьшить порошок оксида для того, чтобы создать кислородных вакансий, как еще один источник электронов легирования также отличает этот протокол от других образцов, представленных в литература подготовлена ​​в соответствии с Ar 29 или формирования газа (5-10% H в Ar) 29 атмосфер.

Кроме того, было отмечено, что с применением высокую скорость нагрева SPS, вторичных фаз, которые в первую очередьоксид празеодима, может локально допинг границе зерна регионы. Это неравномерное легирование образцов керамики в результате наблюдения неожиданного заметное улучшение подвижности носителей, термоэлектрический коэффициент мощности, а также значительному снижению общей теплопроводности. Экспериментальные данные показывают, что наблюдаемый повышение коррелирует с уникальной микроструктуры керамики и наличием Пр-богатых приграничных регионов. Такие границы не наблюдалось за SrTiO 3 керамику, легированные другими присадками, такими как La (фиг.2С, вставка) или приготовленные с другими методами синтеза, описанными в литературе. Недавнее теоретическое исследование Доусон и Танака пытается объяснить это наблюдение (то есть, почему Пр-допинг индуцирует образование ядро-оболочка и La-допинга не), исследуя структуру локального и энергетику PR- и La-легированные SrTiO 3 границы зерна . 30 Их расчеты показывают, далеко Stronger энергичный преимуществом для Pr-допинга границ зерен, чем Ла-легирования. Поскольку электронные транспортные Результаты не могут быть объяснены с помощью теории эффективной среды, 12 полагают, что механизм переноса заряда, вероятно, будет участвовать в улучшении подвижности носителей.

Результаты доказывают, что стратегия может быть применена в качестве метода синтеза в точке композитных структур, особенно структуры типа ядро-оболочка. Тем не менее, эффективность неоднородной допинга зависит от характера составляющих фаз композита. Этот метод ограничен температурой плавления фаз, присутствующих в материале. Высокие скорости нагрева 300-400 ° С мин -1 можно локально расплавить материал под механическим давлением и либо взломать образец или изменить свойства. Таким образом, этот протокол хорошая стратегия синтеза будет осуществляться в других оксидов из-за их высокой стабильности температур. Внимание должно быть exercПУРЭ, когда метод применяется к другим термоэлектрических материалов. Условия искрового техники плазмы спекания должны быть оптимизированы перед нанесением стратегию других систем материалов. Следует отметить, что из-за высоких скоростях нагрева, применяемых значительный рост зерна, как ожидается, если уплотнение частью протокола используется на nanosctructured порошков.

Дальнейшая работа по изменению текущего протокола с целью дальнейшего улучшения термоэлектрических свойств основное внимание будет уделено одновременной оптимизации эффекта механической нагрузки (60 МПа в данном протоколе), температуры выдержки СПС, и время выдержки, чтобы дополнительно уменьшить теплопроводность , повысить коэффициент мощности и улучшения успеха в подготовке без трещин образцов.

В заключение, мы продемонстрировали подход синтеза для получения поликристаллических основная PR-легированного SrTiO 3 керамики с пр-богатой boundarie зернаS выставке значительно улучшенные электронные и термоэлектрические свойства. Стратегия синтеза используются в этой работе может открыть новые горизонты и возможности для других свойств и применений этого широко функциональной перовскита, где выше подвижность носителей желаемого. Кроме того, граница зерна инженерно помощью искры плазмы спекания показано в этой работе может быть реализовано в других оксидных материалов для изменения физических свойств.

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).
Синтез неравномерно Пр-легированного SrTiO<sub&gt; 3</sub&gt; Керамика и их термоэлектрические свойства
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