Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Muntazam olmayan biçimde Pr-katkılı SrTiO sentezi 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

Oksit thermoelectrics elektronik ulaşım özellikleri istikrar ve ekonomik açılardan yüksek sıcaklık termoelektrik uygulamalar için umut verici adaylar, olduğu gösterilmiştir. N-tipi oksit thermoelectrics arasında, çok katkılı stronsiyum titanat (STO) nedeniyle ilginç elektronik özellikleri çok dikkat çekmiştir. Ancak, büyük bir toplam ısı iletkenliği (κ ~ 12 W m -1 K -1 300 tek kristaller için K) 1 ve düşük taşıyıcı hareketlilik (μ ~ 6 cm 2 V -1 sn -1 tek kristaller 300 K'de) 1 zararlı liyakat boyutsuz figürü tarafından değerlendirilir termoelektrik performansı etkileyebilir, elektriksel iletkenlik σ α Seebeck katsayısı ZT = α 2 σT / κ, T Kelvin cinsinden mutlak sıcaklık ve toplam ısı iletkenliği κ. Biz burada güç faktörü olarak pay tanımlamak, PF = α 263 T. (Örneğin, SiGe alaşımları gibi) diğer yüksek sıcaklık Termoelektrik ile rekabet etmek için, bu oksit, termoelektrik bir madde için için, güç faktörü ve / veya örgü ısı iletkenliği azalma daha belirgin bir artış gereklidir.

STO termoelektrik özelliklerini geliştirmek amacıyla deneysel çalışmaların çoğunluğu ağırlıklı olarak gerilme-alan ve fononların kitlesel dalgalanması saçılması yoluyla ısı iletkenliği azaltılması odaklanmıştır. Bu çabalar şunları içerir: (i) tek veya Sr çift katkılama + 2 ve / veya Ti 4+ Sahası Bu yöne göre, ana çaba olarak, doğal superorgü Ruddlesden-Popper yapıların 2,3 (ii) sentezi bundan başka, bir nano boyutlu ikinci fazın eklenmesiyle SrO katmanları 4 ve (iii) Bileşik mühendisliği yalıtım ile termal iletkenliği azaltmak için. 5 Bununla birlikte, yakın zamana kadar, bir geliştirme stratejisi substant bildirilmiştirially bu oksitler termoelektrik güç faktörünü artırır. Toplu tek ve poli-kristal STO bildirilen maksimum güç faktörü (PF) değerleri PF <1.0 W m -1 K -1 üst limit ile sınırlı oylandı.

Sentez yaklaşımları ve işleme tekniklerinin çeşitli yukarıda teşebbüs fikirlerini hayata geçirmeleri için istihdam edilmiştir. Toz sentez yolları geleneksel katı-hal reaksiyonu içerir, 6 sol-jel, 7 konvansiyonel sinterleme ise hidrotermal, 8 ve yanma sentezi, 9, 6, sıcak presleme 10 ve son zamanlarda kıvılcım plazma sinterleme 12 içine toz yoğunlaştırmak için kullanılabilecek ortak teknikler arasındadır Toplu seramikler. Ancak, benzer bir takviye (örneğin, La) ve doping konsantrasyonu için, elde edilen kütle seramik, elektronik ve termal iletim özellikleri, bir dizi sergiler. Bunun nedeni SrTiO <kuvvetle süreci bağımlı kusur kimyası büyük olduğunuSentez bağımlı özellikler ile sonuçlanan sub> 3. Termoelektrik taşıma yararlanma sentez ve işleme parametrelerini optimize raporların sadece bir avuç vardır. Nedeniyle çok küçük fonon için SrTiO 3'te serbest yolu (300 K de l ph ~ 2 nm) demek kayda değer, 11 nanostructuring öncelikle azaltılması yoluyla toplu STO seramik TE performansının iyileştirilmesi için uygulanabilir bir seçenek değil kafes termal iletkenlik.

Son zamanlarda, biz bir anda gelişmiş termoelektrik güç faktörü kaynaklanan olmayan homojen Pr-katkılı SrTiO 3 seramik liyakat termoelektrik şekilde% 30'dan fazla iyileşme bildirilmiştir ve bu ayrıntılı video protokolde ısı iletkenliğini. 12,13 azalmış, biz sunuyoruz ve Bunların hazırlanması için sentez stratejisi adımları görüşmek geliştirilmiş elektronik ve termoelektrik özellikleri sergileyen STO seramik Pr-katkılı.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Pr-katkılı SrTiO 3 Tozu 1. Hazırlık

  1. SrCO3 toz (7,53407 g), TiO2 nanopowder (4,28983 g), ve Pr, stoikiometrik miktarları, TiO 3 Pr 0.05 0.95 Sr tozu 10 g ağırlığında hazırlanması için 2 O reaksiyonu takiben 3 sinterlenmiş yumru (0,44299 g) x = 0.05 için:

Denklem 1

  1. Bir akik havan ve havan tokmağı kullanılarak ince parçacıklar için tartılır Pr 2 O 3 sinterlenmiş topaklar öğütün.
  2. Pr 2 O ila 3 tartılmış SrCO3 tozu ve TiO2 nanopowder ekleyin ve öğütme ve görsel olarak homojen bir toz elde edilene kadar bir akik havan ve havan tokmağı kullanılarak karıştırmaya devam edin.
  3. Bir cam kavanoz içine toprak tozu yükleyin ve 30 dakika th homojenize bir türbülatörü kullanarak mixE karışımı ile gerçekleştirilmektedir.
  4. Bir titizlikle temizleniyor ve cilalı paslanmaz çelik kalıbı (çapı 1 inç) içine sonuçlanan karışık toz yükleyin ve iki paslanmaz çelik pistonları arasına sandviç.
  5. Soğuk pres yaklaşık 1 metrik ton yük altında bir basın kullanarak toz.
  6. Bir oyulmuş paslanmaz çelik silindir üzerinde kalıp yerleştirerek ve bir itme çubuk kullanarak üstten dışarı pistonları ve pelet iterek soğuk preslenmiş pelet çıkarın. Kalıptan soğuk preslenmiş pellet (yeşil gövde) ve ejeksiyon üzerine hafifçe viski-bant küçük bir parça ile pelet kaplama ve bant müthiş bir ince bir tabaka kaldırarak pelet çevresel yüzeyinde herhangi bir kirlenmeyi temizleyin.
  7. Alümina tekne ve soğuk pres pelet arasındaki bariyer olarak ticari olarak satın SrTiO 3 toz dolu bir alümina tekne dikey pelet yerleştirin.
  8. Bir tüp fırın içinde tekne yerleştirin 3 saat 1300 ° C'ye kadar ısıtmak ve 15 boyunca bu sıcaklıkta tutmakhr. Kalsinasyon bittiğinde pelet fırının içinde oda sıcaklığına soğumasını bekleyin. Bu adım, daha sonra "kalsinasyon işlemi" olarak adlandırılır.
  9. Akik havan ve havan tokmağı kullanılarak pelet öğütün ve daha fazla türbülatörün kullanılarak karıştırılması için bir cam kavanoz içine elde edilen toz yükleyin.
  10. Yükünün yaklaşık 3 ton altında preslenmiş paslanmaz çelik kalıp ve soğuk içine toz yükleyin.
  11. 3 saat içinde 1400 ° C'de adım 1.9 bir kez daha tekrar edin ve 20 saat boyunca bu sıcaklıkta tutun.
  12. Akik havan ve tokmak kullanılarak pelet öğütün.
  13. Tekrarlayın katı hal reaksiyonu tamamlanması ulaşması için 1.11, 1.12, 1.13 ve bir kez daha yineleyin.

Toplu Polycrystalline Pr katkılı SrTiO 3 Seramik 2. Hazırlık

  1. (2 mm kalınlığında ve çapında 12.7 mm disk için) halinde hazırlanan tozun 1.6 g tartılır.
  2. Üst ve alt kapak inte dairesel graphoil ParçalanGrafit kalıpta sıkıştırılan tozu ve grafit piston rface. Ayrıca, grafit, kalıbın iç duvarı kapsayacak şekilde bir dikdörtgen graphoil parça hazırlanır.
  3. Bir grafit kalıp içine, bu şekilde hazırlanan bir toz (iç çapı 12.7 mm) yükleyin ve aynı büyüklükte iki grafit dalma pistonları arasında toz sandviç. Grafit kalıbın uzunluğunun ortasında bir 2 mm delik açın ve kalıbın dış yüzeyi sıcaklık okuma iç yüzeyinin yaklaşık 2 mm arasındadır.
    Not: die dışında kalan grafit pistonları uzunluğunu ayarlayın ve delik doğru sıcaklık okuma almak için yerleştirilir sandviç toz silindirin merkezini yerleştirin. grafit pistonları yüzleri titizlikle adet işleme sırasında tesviye edilmesi gereklidir. Herhangi bir hiza kıvılcım plazma sinterleme sırasında sinterlenmiş pelet çatlaması neden olabilir.
  4. Soğuk pres kıvılcım montaj öncesinde basın kullanarak toz nazikçe (yük <200 kg)odası içinde plazma sinterleme plakası. Grafit pompalarını zarar görmesini önlemek için alt ve üst pistonları basın aşaması arasındaki yassı paslanmaz çelik destek tabak kullanın.
  5. Grafit bir parça yalıtımı için kalıbın etrafına sarın hissettim ve grafit iplik ile sabitleyin. Sıcaklık okuma delik kalıbı yerleştirilir keçe dikdörtgen bir parça keserek keçe grafit bir pencere tasarlamak.
  6. Kıvılcım plazma sinterleme odasında yüklenen grafit kalıp ve pistonları yerleştirin. Nihai pozisyona sahne taşıyın.
  7. Odak ve kalıp sıcaklığı okuma delik Pirometre hedef daire hizalayın. Pirometre emisyon ayarı grafit için ayarlanmış olduğundan emin olun.
  8. Odasına kapatın ve numune üzerinde 7.7 kN yük (yaklaşık 60 Mpa) koyun. Vakum ve Ar ile üç kez odasına temizlemek ve 6 Pa dinamik vakum altında odasını terk.
  9. Elle akımı (artan veya kullanarak sıcaklık artışıprogramı). 250 A min -1 kullanın (tekabül yaklaşık 300-400 ° C min -1) optimize numuneler için. Bu kıvılcım, plazma sinterleme sürecinin en önemli adımdır.
  10. El mevcut ayarlama ya da programı kullanılarak 5 dakika boyunca 1500 ° C'de sıcaklığı muhafaza edin. 5 dk tutma süresi sonunda, soğuma esnasında numunenin çatlamasını önlemek için 7.7 kN yük serbest hızla akımı kapatmak ve. Odasının içine RT numune soğuması.
  11. Yavaşça soğuk pres kullanılarak kalıp grafit dökme pelet bırakın. Bu oyulmuş çelik silindir grafit kalıp yerleştirerek ve pelet ve üstten çubuk iterek bir çelik kullanılarak grafit pompalarını püskürtülmesi ile yapılır.
  12. Keskin bir tıraş bıçağı kullanarak pelet üst ve alt yüzler gibi çevresel yüzeyi üzerine graphoil çıkarın.
  13. Sağlamak için her taraftan bir kaba kum kağıt aşağı 0.3-0.5 mm (400 ızgara) kullanılarak örnek Lehçegraphoil tamamen kaldırılması. Aseton ile örnek temizleyin.

Toplu Seramik 3. Elektronik Karakterizasyonu ve Termal Taşıma Özellikleri

  1. Arşimet yöntemi kullanılarak seramik disk, ρ yoğunluğunu belirler.
  2. Numunenin ağırlığı ölçümü, W, kuru ve daha sonra su içine daldırılmış örnek, ağırlık G, bir stabilize edilmiş yoğunluk ölçümü sistemine, ıslak ve gelen Arşimed yoğunluğunu hesaplamak

Denklem 2

ρ, su ölçüm sıcaklığında suyun yoğunluğudur. 14 (örneğin, 1 g cm--3 300 K olarak eşittir)

  1. Ar'nin, bir 75 mi dk -1 akışı altında, geçici lazer flaş yöntemi kullanılarak, örnek, d termal yayılma ölçün. Kalınlığını ölçünörnek, L, doğru, ilk dijital mikrometre kullanılarak.
    Not: Farklı boyutlarda ve şekillerde (örneğin, yuvarlak disklerin çapı kare veya 10 x 10 mm 2 diskler 12.7 mm) ve kalınlıklara sahip olan paralel yüzlü örnekler kolaylıkla ölçülebilir 0,5 mm ila 5 arasındadır.
    1. Lazer flaş termik yayıcılığıdır tekniğinde, kısa bir süre (~ 1 msn) lazer ışını numunenin bir yüzü ışın tedavisi ve bir kızıl-ötesi detektör tarafından karşıt yüzeye tutturulmasıdır sıcaklık artışı kaydedin. Sonra numunenin kalınlığı ve Parker denklemi 15 kullanılarak sıcaklık artışı zaman profilinden lazer flaş arayüz yazılımı ile termal yayılma hesaplamak

Denklem 3

burada L disk ve t 1/2 kalınlığı, diğer s maksimum sıcaklık yükselişi yarı-zamanı olduğunuNumunenin ide.

Not: Parker modeli 15 adyabatik numune ve diğer modeller gibi ısı kayıpları, sonlu darbe süresi, homojen olmayan darbe ısıtma ve homojen olmayan olarak ölçüm çeşitli kayıplar hesaba yıllar üzerinde ileri sürülmüştür anlık nabız ısıtma ideal koşullar varsayar yapıları. Biz en gelişmiş yöntemlerden biri olan darbe düzeltme ile Cowan modeli 16 kullandık. Bu kızılötesi detektör tarafından gözlemlenen sinyal ön yüzeyine iletilen ısı enerjisi miktarını en üst düzeye çıkarmak ve en üst düzeye çıkarmak amacıyla, örnek yüzeyleri yüksek yayım kapasitesinde olması gerektiğine dikkat edilmelidir. Genellikle bu örnek yüzeyleri için grafit ince bir kaplamanın uygulanmasını gerektirir. Isıl yayılma ölçümünde% 2-% 5 arasında bir belirsizlik boyutunun belirlenmesinden doğan bulunmaktadır. 17.

  1. Dikdörtgen çubuklar içine bir elmas testere kullanarak diski pelet kesin 2 x 2 x 10mm3, elektriksel iletkenlik ve Seebeck katsayısı ölçümleri olarak kare bir disk, 4 yüksek sıcaklık belirli bir ısı ve ince dikdörtgen parça x 4 x 1.5 mm 3 Hall ölçümleri için 8 x 5 x 1 mm3.
  2. Düz ve parlak cilalı kare parçasının üzerine numunenin özgül ısı, Cı p, ölçün (4 x 4 x 1.5 mm 3), argon akımı altında, bir diferansiyel tarama kalorimetresi (DSC) kullanılarak yapıldı. 18
    1. Tam bir soğutma oranı ile, örnek 500 ° C'ye 20 K dak -1 ısıtma hızı kadar, ardından termal dengeye ulaşmak için izin vermek için 10 dakika boyunca bir izotermal tutulması için 40 ° C'ye kadar 5 K dak-1 kadar bir ısıtma hızı kullanarak hangi izledi. Argon akışı altında ölçümünü gerçekleştirmek (50 ml dk -1 önerilir).

Nedeniyle, analiz için kullanılan yöntemin duyarlılığı ısı kapasitesini belirlemek için üç ölçüm yapmak: Not Bilinen bir Cı P (örneğin safir gibi) standart bir malzemenin özgül ısısı (2) ölçme, ve numunenin özgül ısısı (3) ölçümü, (1) bir temel değer ölçümü arka çıkarmak için dahil olmak üzere. Numuneler, düz ve ayna cilalı (Al ile bu çalışmada kullanılan 2 O 3 potalar Pt / Rh tava) ölçüm pota altından ideal bir teması yapmak için emin olun. DSC sahnenin tam yapısı hakkında daha fazla detay, DSC başkalarına teknikleri ve örnek bir ölçüm için kesin talimatlar karşılaştırılması çeşitli kaynaklardan bulunabilir. 19

  1. 20 kullanılarak ρ, ısıl yayılma, d, özgül ısı, Cı P ve yoğunluğu ölçülen değerlerden numunenin yüksek sıcaklıkta termik iletkenlik, κ, hesaplayın

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

  1. Altın plaka örnek kesilmiş 2 x 2 x 10 mm 3 parça üzerinde sondalar temas noktaları (4 kontaklar) temas direnci sorunlarını hafifletmek için.
    1. Sadece istenilen iletişim alanlarında altın sputter için, 2 x 2 x 10 mm 3 numune etrafında bir viski-bant bir şablon olarak kullanmak için sarın. 2 yüzleri un kaplı 2 x 2 mm bırakın. Bir traş makinesi bıçak kullanarak, problar bir mesafe ile ayrılmış bir hat boyunca 2 x 10 mm 2 yüzün ortasında 2 çok küçük delik (çapı yaklaşık 1 mm) kesilip.
    2. Bir tezgah üstü altın püskürtme ünitesi kullanılarak bir ~ 200 nm kalınlığında altın bir film sputter. 21
  2. Sıcaklığında 22,23 bir fonksiyonu olarak örnek elektriksel iletim özelliklerini, yani elektrik iletkenliği ve Seebeck katsayısı) ölçün.
    1. Dört-terminal yöntemi kullanılarak elektriksel iletkenlik ölçün. Sam üzerinde Seebeck katsayısını ölçüniki orta termokupl "prob" üzerinden sıcaklık ve gerilim ölçümleri kullanarak e kurulum. Dijital mikroskop kullanılarak bu iki prob arasındaki mesafeyi ölçün. Elektrik nakil ölçümleri fazla detay başka bir yerde bulunabilir. 22,23
  3. Fiziksel Özellikler Ölçüm Sistemi kullanılarak 8 x 5 x 1 mm 3 numune üzerinde sıcaklığın bir fonksiyonu olarak Hall taşıyıcı konsantrasyonu ölçümü. 24

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

X-ışını kırınımı desenleri SrTiO içinde, SrTiO üzerindeki Pr çözünürlüğünü 3 kafes Pr-doping etkisini araştırmak amacıyla olarak hazırlanmış tozlar ve Pr-içeriğinin bir fonksiyonu olarak gelen toplu seramik (Şekil 1) için toplandı 3 ve ikinci faz (lar) oluşumu. desenler yansımalar boşluk grubu (Şekil 1A) ile bir kübik kafes endeksli olabilir gibi tüm hazırlanmış tozlarında SrTiO 3 fazın oluşumunu teyit etmektedir. Pr içeriği artan (katkısız) x = 0 için a = 3,906 den endeksli kafes parametresinde monoton değişim Sr 2+ sitelerde küçük Pr 3+ iyonları dahil üzerine kafes bozulmasını doğruluyor. Zayıf yansımalar da ara praseodyum oksit fazına karşılık gelen, x> 0.05 olduğu tespit edildi (örneğin, PR 5 O 9) (nominal Pr konsantrasyonunun ise yoğunluğunu arttırmak, (Şekil 1C, D) tam olarak yok olmuş olduğu bulunmuştur.

Bir sentez-yapı-özellik ilişkisi çalışma SPS ısıtma hızı ve elektronik ulaşım özellikleri üzerinde gözlenen ikincil faz etkisini anlamak için yapılmıştır. Taramalı elektron mikrografları, sentez ve yoğunlaştırma parametrelerinin etkisini araştırmak özellikle morfoloji ve tahıl ve tahıl sınırları (Şekil 2) kimya, plazma sinterleme ısıtma hızı kıvılcım enerji dağılımlı X-ışını spektrumları ile birlikte elde edilmiştir. Synthesis- (mikro) yapı-özellik ilişkisi toplu seramik elektronik transport özellikleri (Şekil 2) sıcaklık bağımlılığını izleme araştırıldı. Bu elektrik iletkenliği significan olabilir bulunmuşturtly'ait SPS ısıtma hızı (Şekil 2A) en verimli şekilde artmıştır. Örnekleri farklı ısıtma hızları (Şekil 2A, ek) altında yoğunlaştırılmıştır benzer Seebeck katsayısı ve taşıyıcı konsantrasyonu değerleri elde edilmiştir çünkü bu gelişme taşıyıcı mobilitesi belirgin bir donanıma bağlanmıştır. Taramalı elektron mikrografları gibi hazırlanan toz (Şekil 2B, ek), Pr zengin sekonder faz, bu kısmi olarak SPS işlemi (Şekil 2B) sırasında tane sınır bölgesini katkı yapılmasını göstermiştir. SPS ısıtma hızı uygun bir optimizasyon olarak, tane sınır bölgesi tamamen bu durumda taşıyıcı hareketlilikte bir donanım (Şekil 2C) görülmektedir, Pr ile takviye edilebilir.

300 ° C min yüksek bir SPS ısıtma hızı ile hazırlanan toplu seramik Elektronik ve termal taşınım özellikleri - 1 bir işlev o ölçüldüf sıcaklık ve liyakat genel termoelektrik rakam hesaplamak için Pr içeriği (Şekil 3). Tüm numuneler, bir dejenere yan iletken davranışı sergiler (yani, metalik benzeri) elektrik iletkenliği (Şekil 3A) ve karşılık gelen bir pasif benzeri thermopower (Şekil 3B). Geniş termik faktörü> 1 W m-1 K -1 1,3 W m maksimum -1 K -1 ulaşan geniş bir sıcaklık aralığı içinde x> 0.075 olan seramik gözlenmiştir% Pr 3 tekabül eden X = 0.15, (üzere Şekil 3C). Aynı zamanda, ısı iletkenliği bir monotonik azalma, x = 0,15 (Şekil 3D) 'ye kadar Pr artan gözlenmiştir. Optimum Nominal Pr konsantrasyonu bu örnekler için, x = 0.15 olarak bulunmuştur. daha önce bildirilen m üzerinde bütün sıcaklık aralığı için hak boyutsuz termoelektrik şekil (ZT) 'de 13% 30'dan fazla bir gelişmeOLUNAN AZAMI değerleri 0.35 13 Maksimum ZT değeri 500 ° C'de elde edildi ısı iletkenlik (Şekil 3E). termoelektrik güç faktörü ve azalma eşzamanlı geliştirme sonucu elde edilmiştir. Ölçümler oldukça yüksek bir indirgeme atmosferi altında yapılması ise, 0.6 üzerindeki maksimum ZT değerler deneysel elektronik ve ısı iletim verileri uydurularak 1000 ° C de tahmin edilmektedir. Taşıyıcı konsantrasyonu daha da arttırılabilir, eğer bu sıcaklıklarda güç etkenini daha da iyileştirilmesi olasılığı ve dolayısıyla ZT de mevcuttur. 30

Şekil 1
Şekil 1. X-ışını difraksiyon profilleri (A) X-ışını difraksiyonu (XRD) Sr 1 profiller -. X Pr x TiO 3 - SPS önce δ tozlarNominal Pr içeriğinin bir fonksiyonu olarak göstermektedir. (B) kesik dikdörtgenin Büyütülmüş görünüm (a), (C) XRD profilleri Sr 1 - x Pr x TiO 3 - δ x = 0.075 önce SPS (Toz) ve yüksek ısıtma hızı SPS (Toplu Seramik sonra ). Katı hal reaksiyonu sonra soğuk preslenmiş toz ve ilgili SPSed seramik Fotoğrafları gösterilmektedir. (C) 'de kesik çizgili dikdörtgen (D) Büyütülmüş görünüşüdür. Izni. 12 ile yayımlanmaktadır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 2,
SPS ısıtma hızı Şekil 2. Etkisi. (A) elektriksel iletkenlik ve Seebeck sıcaklığa bağlılığı Sr, 1 katsayısı (ek) - x Pr x TiO 3 - ile δ seramik x = 0.075 100 ° C min iki farklı SPS ısıtma oranları kullanılarak işlenmiş - 1 ile 300 ° C min 1 - sırasıyla. 100'ün altında yapılan seramik (B) Backscattered elektron (BSE) mikrografı ° C min - 1 SPS. Bir PrO y parçacık genelinde EDS çizgi tarama tipik Pr spektrum gösterilir. (C), 300 ° C, en fazla altında yapılan seramik geri-saçılmalı elektron mikrografıdır - 1, SPS ısıtma hızı. EDS hattı tipik Pr spektrumu, iki tane, tahıl 1 ve tane 2 üzerinden tarama gösterilmiştir. içerlek aynı tarifi aşağıdaki Sr 0.95 La 0.05 TiO 3 seramik BSE mikrografını hazırladı gösteriyor. Izni ile yayımlanmaktadır. 12 pload / 52869 / 52869fig2highres.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3. Termoelektrik taşınım özellikleri. (A) elektrik iletkenliği (σ) sıcaklığa bağlılığı, (B) Seebeck katsayısı (α), (PF = α2σT olarak tanımlanır) (C) güç faktörü, (D) toplam ısı iletkenliği ve (E ) şekil-of-liyakat, ZT Sr 1 için - x Pr x TiO 3 - Pr içeriğinin bir fonksiyonu olarak δ seramikler. Literatürde maksimum ZT değerleri sıcaklığa bağlılığı karşılaştırma için gösterilmiştir. 2,25-28 izni ile çoğaltılmıştır. 12,13"_blank> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu protokol, biz başarılı geliştirilmiş elektronik ve termoelektrik özellikleri sergileyen toplu polikristal Pr katkılı SrTiO 3 seramik hazırlamak amacıyla sentez stratejisinin adımlarını sundu. protokol ana adımları yüksek halinde olarak hazırlanmış bir toz yoğunlaştırmak için, (i) atmosferik basınçta ve kıvılcım plazma sinterleme tekniği özellikleri (ii) alarak bir avantaj altında havada katkılı SrTiO 3 tozun katı hal sentezini içerir Toplu seramik ve aynı zamanda yoğunluğu daha Pr numunenin tanecik sınırları katkı yapılmasını mümkün. Bu göstermiştir ki, yüksek SPS ısıtma hızı uygulanarak (300-400 ° C dk-1) sekonder faz (lar) a karşılık gelen X-ışını kırınım desenleri yansımalar (Şekil 1C, D) tamamen kaybolduğu bulunmaktadır. yüksek ısıtma hızı literatürde önceki raporlarda bu sentez stratejisinin temel farklardan biridir. Tam 1712 değerleri ölçülen taşıyıcı konsantrasyonu değerleri anma doping tekabül yol Sr sitelerinde Pr güçlendiricilerin, katılması bu sentez stratejisinin ana başarılarından biridir. Bunun bir sonucu olarak, daha yüksek taşıyıcı yoğunluğu değerleri, aynı nominal katkılama konsantrasyonları ile diğer yöntemleri kullanarak numuneler için literatürde bildirilen değerlerle karşılaştırılarak Bu çalışmada hazırlanan örnekler için hazırlanan gözlenmiştir. Elektron doping başka bir kaynak olarak oksijen boş yaratmak amacıyla oksit tozu azaltmak için kıvılcım plazma sinterleme odasının (dinamik vakum ve yüksek ısıtma hızı altında grafit kalıbın) son derece azaltan bir atmosfer yararlanan da bildirilen diğer örneklerden bu protokolü ayırır edebiyat Ar 29 veya şekillendirme gazı (Ar% 5-10 H) 29 atmosferlik altında hazırlanmış.

Bundan başka, şu da gözlemlenmiştir ki öncelikle yüksek bir SPS ısıtma hızı, ikincil fazlar uygulayarakpraseodimyum oksit, yerel tane sınırı bölgeleri ahmak olabilir. Seramik örneklerin bu eşit olmayan katkılama taşıyıcı mobilitesi, termik güç faktörü ve toplam ısı iletkenliği önemli bir azalma beklenmedik bir etkin bir tedavi gözlem ile sonuçlanmıştır. Deney verileri, gözlenen artışı seramik eşsiz mikro ve Pr zengin sınır bölgelerinin varlığı ile orantılı olduğunu göstermektedir. Bu sınırlar SrTiO böyle La (Şekil 2C, ek) gibi diğer takviyelerle katkılı ya da literatürde bildirilen diğer sentez yöntemleri ile hazırlanan 3 seramik gözlenmemiştir. Dawson ve Tanaka tarafından yapılan son teorik çalışma, yerel yapısını ve PR ve enerjetikleri incelenerek (Pr-doping çekirdek-kabuk oluşumu ve La-doping does not indükler neden yani) La-katkılı SrTiO 3 tane sınırları, bu gözlemi açıklamaya çalışmaktadır . 30 Onların hesaplamalar çok s göstermekLa-doping daha tane sınırlarının Pr-doping için tronger enerjik yarar. Elektronik ulaşım sonuçları etkili bir orta teori ile izah edilemeyecek bu yana, 12 bir yük transfer mekanizması taşıyıcı mobilite iyileştirme dahil olması muhtemeldir olduğuna inanılmaktadır.

Sonuçlar strateji özellikle çekirdek-kabuk tipi yapının yerinde kompozit yapılarında sentezlemek için bir yöntem olarak uygulanabilir olduğunu kanıtlamaktadır. Bununla birlikte, muntazam olmayan katkılama etkinliği kompozit oluşturan fazların doğasına bağlıdır. Bu yöntem, malzeme içinde mevcut fazın erime noktası ile sınırlıdır. Yüksek ısıtma oranları 300-400 ° C min -1 mekanik basınç altında malzemeyi eritmek ve örnek çatlak veya özelliklerini değiştirmek ya lokal olarak yapabilirsiniz. Bu nedenle, bu protokol dolayı, yüksek sıcaklık stabilitesine diğer oksitler için uygulanması iyi bir sentez stratejisi. Dikkat Exerc olmalıdıryöntem, diğer bir termoelektrik malzemelere tatbik edildiği zaman ayar-. kıvılcım plazma sinterleme tekniği koşulları diğer malzemeler sistemlere strateji uygulanmadan önce optimize edilmesi gerekir. Bu protokol yoğunlaştırma parçası nanosctructured tozlar ile ilgili kullanıldığı takdirde dolayı uygulanan yüksek ısıtma hızlarında için önemli bir tane büyümesi beklenmektedir dikkat edilmelidir.

Gelecekteki iş başka bir mekanik yük (Bu protokol 60 Mpa), SPS ıslatma sıcaklığı etkisi eşzamanlı optimizasyon üzerinde durulacak termoelektrik özelliklerini geliştirmek için mevcut protokol değiştirmek için, ve ıslatma süresi daha termal iletkenliği azaltmak için , güç faktörünü geliştirmek ve çatlak içermeyen numunelerin hazırlanması başarı oranını artırmak için.

Sonuç olarak, Pr zengin tahıl boundarie ile toplu polikristal Pr katkılı SrTiO 3 seramik hazırlanması için sentez yaklaşımını ortaya koymuşturönemli ölçüde geliştirilmiş elektronik ve termoelektrik özellikleri sergileyen s. Bu çalışmada kullanılan sentez stratejisi diğer özellikleri ve yüksek taşıyıcı hareketlilik isteniyorsa bu geniş fonksiyonel perovskitin uygulamalarına yeni ufuklar ve fırsatlar açabilir. Ayrıca, bu çalışmada gösterildiği tane sınır tekniği kullanılarak kıvılcım plazma sinterleme fiziksel özelliklerini değiştirmek için, diğer oksit malzemeleri olarak uygulanabilir.

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

Kimya Sayı 102 Oksit Termoelektrik Praseodimyum SrTiO Liyakat Gelişmiş Figür Geliştirilmiş Güç Faktörü N-tipi yarı iletken Mobilite Geliştirme Tahıl Sınır Mühendisliği
Muntazam olmayan biçimde Pr-katkılı SrTiO sentezi<sub&gt; 3</sub&gt; Seramik ve Bunların termoelektrik Özellikleri
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