Ontstekingsplasma sinterapparatuur toegepast voor de vorming van strontiumtitaanoxide Bicrystals
Summary
A viable technique for the formation of strontium titanate bicrystals at high pressure and fast heating rate via the spark plasma sintering apparatus is developed.
Abstract
A spark plasma sintering apparatus was used as a novel method for diffusion bonding of two single crystals of strontium titanate to form bicrystals with one twist grain boundary. This apparatus utilizes high uniaxial pressure and a pulsed direct current for rapid consolidation of material. Diffusion bonding of strontium titanate bicrystals without fracture, in a spark plasma sintering apparatus, is possible at high pressures due to the unusual temperature dependent plasticity behavior of strontium titanate. We demonstrate a method for the successful formation of bicrystals at accelerated time scales and lower temperatures in a spark plasma sintering apparatus compared to bicrystals formed by conventional diffusion bonding parameters. Bond quality was verified by scanning electron microscopy. A clean and atomically abrupt interface containing no secondary phases was observed using transmission electron microscopy techniques. Local changes in bonding across the boundary was characterized by simultaneous scanning transmission electron microscopy and spatially resolved electron energy-loss spectroscopy.
Introduction
Ontstekingsplasma sinteren (SPS) is een techniek waarbij de toepassing van hoge uniaxiale druk en gepulseerde gelijkstroom leidt tot de snelle verdichting poeder verdicht 1. Deze techniek geeft ook de succesvolle vorming van composieten van verschillende materialen, zoals siliciumnitride / siliciumcarbide, zirkoniumoxide boride / siliciumcarbide of siliciumcarbide, zonder extra sinterhulpmiddelen vereiste 2, 3, 4, 5. De synthese van deze samengestelde structuren volgens gebruikelijke warmpersen waren tegen in het verleden. Ofschoon de toepassing van een hoge uniaxiale druk en snelle verwarmingssnelheid via SPS techniek verbetert consolidatie van poeders en composieten, het verschijnsel waardoor deze verbeterde verdichting besproken in de literatuur 2, 3,class = "xref"> 6, 7. Er bestaat ook slechts beperkte informatie over de invloed van elektrische velden op korrelgrens vorming en de resulterende atoomstructuren van korrelgrens geleiders 8, 9. Deze kernstructuren bepalen de functionele eigenschappen van SPS gesinterde materialen, waaronder elektrische doorslag hoogspanningscondensatoren en de mechanische sterkte en taaiheid van keramische oxiden 10. Daarom Doorgronden korrelgrens structuur als functie van SPS procesparameters, zoals aangelegde stroom, nodig voor het manipuleren van algemene fysieke eigenschappen van een materiaal. Een methode om systematisch verhelderen de fundamentele fysische mechanismen van SPS is de vorming van specifieke korrelgrens structuren, dwz bicrystals. Een bicrystal wordt door manipulatie van twee eenkristallen, die dan diffuSion gebonden met specifieke misoriëntatie hoeken 11. Deze werkwijze verschaft een gecontroleerde wijze om de fundamentele korrelgrens kernstructuren als functie van procesparameters, doteringsmateriaal concentratie aan onzuiverheden scheiding 12, 13, 14 te onderzoeken.
Diffusielassen is afhankelijk van vier parameters: temperatuur, tijd, druk en gemeenschappelijke atmosfeer 15. Conventionele diffusielassen van strontium titanaat (SrTiO 3, STO) bicrystals typisch optreedt bij een druk van minder dan 1 MPa, bij een temperatuur van 1,400-1,500 ° C en tijdschalen variërend van 3 tot 20 uur 13, 14, 16, 17. In deze studie wordt binding in een SPS-inrichting bereikt bij aanzienlijk lagere temperatuur- en tijdschalen in cERGELIJKING conventionele werkwijzen. Polykristallijne materialen, verlaagde temperatuur en tijdschalen via SPS aanzienlijk beperkt korrelgroei, waardoor gunstige regeling van eigenschappen van een materiaal door manipulatie van de microstructuur.
De SPS apparaat, voor een 5 × 5 mm 2 monster, oefent een minimale druk van 140 MPa. Binnen het conventionele diffusielassen temperatuurbereik, Hutt et al. rapporteren momentane breuk van STO als de bindingsdruk dan 10 MPa 18. Echter, STO vertoont temperatuur plasticiteit gedrag aangeeft bindingsdruk kan 10 MPa overschrijden specifieke temperaturen. Boven 1200 ° C en beneden 700 ° C, vertoont een aantal STO ductiliteit, waarbij benadrukt meer dan 120 MPa kunnen worden toegepast zonder momentane breuk van het monster. In de tussenliggende temperatuurbereik van 700-1,200 ° C, STO is bros en ervaringen onmiddellijke breuk bij stresses groter dan 10 MPa. Bij 800 ° C, STO heeft een geringe vervormbaarheid vóór breuk bij spanningen kleiner dan 200 MPa 19, 20, 21. Daarom moet bonding temperaturen STO bicrystal vorming via SPS inrichting is afhankelijk van de plasticiteit gedrag van het materiaal.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hechting temperatuur van 1200 ° C werd gekozen diffusie maximaliseren kleine temperatuurschommelingen sterk de kinetiek van diffusielassen mechanismen kunnen beïnvloeden. Een temperatuur van 1200 ° C is buiten de bros-ductiele overgang temperatuurbereik van STO. De monster onderging brosse breuk bij deze temperatuur. De katastrofisch falen van de STO bicrystal was niet onverwacht als STO heeft ~ 0,5% vervormbaarheid bij 1200 ° C. Tevens werd het monster gehouden op een druk van 140 MPa gedurende het verwarmingspr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
LH dankbaar erkent financiële steun door een Amerikaanse National Science Foundation Graduate Research Fellowship onder Grant No. 1148897. Elektronenmicroscopie karakterisering en SPS verwerking bij UC Davis werd financieel ondersteund door de Universiteit van California Laboratory Fee award (# 12-LR-238313). Werken bij de Molecular Foundry werd gesteund door de Office of Science, Bureau van Basic Energy Sciences, het Amerikaanse ministerie van Energie onder contract No. DE-AC02-05CH11231.
Materials
| Strontium titanate single crystal (100) | MTI Corporation | STOa101005S1-JP | |
| Buffered oxide etch, hyrofluoric acid 6:1 | JT Baker | MBI 1178-03 | |
| Scanning electron microscope (SEM) | FEI | Model: 430 NanoSEM | |
| SPS apparatus | Sumitomo Coal Mining Co | Model: Dr. Sinter 5000 SPS Apparatus | |
| High Temperature Furnace | Thermolyne | Model: 41600 | |
| Ultrasonic Cleaner | Bransonic | Model: 221 | |
| Mechanical polisher | Allied High Tech Products | 15-2100-TEM | |
| Diamond lapping film | 3M | 660XV | 1 um to 9 um Grit Size |
| Diamond lapping film | 3M | 661X | 0.5 um to 0.1 um Grit Size |
| Colloidal silica | Allied High Tech Products | 180-20000 | .05 um Grit Size |
| Sputter coater | QuorumTech | Model: Q150RES | |
| Focused ion beam (FIB) instrument | FEI | Model: Scios dual-beamed focused ion beam (FIB) instrument | |
| Nanomill TEM specimen preparation system | Fischione Instruments | Model: 1040 | |
| Transmission electron microscope (TEM) | JEOL | Model: JEM2500 SE | |
| Scanning transmission electron microscope (STEM) | FEI | Model: TEAM 0.5 |
References
- Munir, Z. A., Anselmi-Tamburini, U., Ohyanagi, M. The effect of electric field and pressure on the synthesis and consolidation of materials: A review of the spark plasma sintering method. J. Mater. Sci. 41 (3), 763-777 (2006).
- Chen, W., Anselmi-Tamburini, U., Garay, J. E., Groza, J. R., Munir, Z. A. Fundamental investigations on the spark plasma sintering/synthesis process: I. Effect of dc pulsing on reactivity. Mater. Sci. Eng. A. 394 (1-2), 132-138 (2005).
- Holland, T. B., Anselmi-Tamburini, U., Mukherjee, A. K. Electric fields and the future of scalability in spark plasma sintering. Scr. Mater. 69 (2), 117-121 (2013).
- Wan, J., Duan, R., Mukherjee, A. Spark plasma sintering of silicon nitride/silicon carbide nanocomposites with reduced additive amounts. Scr. Mater. 53 (6), 663-667 (2005).
- Carney, C. M., Mogilvesky, P., Parthasarathy, T. A. Oxidation Behavior of Zirconium Diboride Silicon Carbide Produced by the Spark Plasma Sintering Method. J. Amer. Ceram. Soc. 92 (9), 2046-2052 (2009).
- Dupeux, M. Production of Oriented Two-Phase Bicrystals by Diffusion Bonding Technique. J. Cryst. Growth. 66, 169-178 (1984).
- Castro, R., van Benthem, K. . Sintering: mechanisms of convention nanodensification and field assisted processes. 35, (2012).
- Byeon, S. C., Hong, K. S. Electric field assisted bonding of ceramics. Mater. Sci. Eng. A. 287 (2), 159-170 (2000).
- Wang, J., Conrad, H. Contribution of the space charge to the grain boundary energy in yttria-stabilized zirconia. J. Mater. Sci. 49 (17), 6074-6080 (2014).
- Fujimoto, M., Kingery, W. D. Microstructures of SrTiO3 Internal Boundry Layer Capacitors During and After Processing and Resultant Electrical Properties. J. Amer. Ceram. Soc. 68 (4), 169-173 (1985).
- Mitsuma, T., et al. Structures of a Σ = 9, [110]/{221} symmetrical tilt grain boundary in SrTiO3. Journal of Materials Science. 46 (12), 4162-4168 (2011).
- Ikuhara, Y. Grain Boundary and Interface Structures in Ceramics. J. Ceram. Soc. Jpn. 109 (7), S110-S120 (2001).
- Hutt, S., Kienzle, O., Ernst, F., Ruhle, M. Processing and Structure of Grain boundaries in Strontium Titanate. Z. Metallkd. 92 (2), 105-109 (2001).
- Takahisa, Y., Ikuhara, Y., Sakuma, T. Current-voltage characteristics across 45◦ symmetric tilt boundary in highly donor-doped SrTiO3 bicrystal. J. Mater. Sci. Lett. 20, 1827-1829 (2001).
- Hill, A., Wallach, E. R. Modelling Solid State Diffusion Bonding. Acta Metall. 37 (9), 2425-2437 (1989).
- Sato, Y., et al. Non-linear current-voltage characteristics related to native defects in SrTiO3 and ZnO bicrystals. Sci. Technol. Adv. Mater. 4 (6), 605-611 (2003).
- Hirose, S., Nishimura, H., Niimi, H. Resistance switching effect in Nb-doped SrTiO[sub 3] (100) bicrystal with (100) ∼45° twist boundary. J. App. Phys. 106 (4), 043711-043716 (2009).
- Hutt, S. . Doctoral Thesis. , (2002).
- Brunner, D., Taeri-Baghbadrani, S., Sigle, W., Ruhle, M. Suprising Results of a Studay on the Plasticity in Strontium Titanate. J. Amer. Ceram. Soc. 84 (5), 1161-1163 (2001).
- Gumbsch, P., Taeri-Baghbadrani, S., Brunner, D., Sigle, W., Ruhle, M. Plasticity and an inverse brittle-to-ductile transition in strontium titanate. Phys. Rev. Lett. 87 (8), 085501-085504 (2001).
- Taeri, S., Brunner, D., Sigle, W., Ruhle, M. Deformation Behavior of Strontium Titanate between Room Temperature and 1800K under Ambient Pressure. Z. Metallkd. 95, 433-446 (2004).
- Takahashi, K., Ohtomo, A., Kawasaki, M., Koinuma, H. Advanced Processing and Characterization of SrTiO3 Single Crystals and Bicrystals for High Tc Superconducting Film Substrate. Mater. Sci. Eng. B. 41, 152-156 (1996).
- Rhodes, W. H., Kingery, W. D. Dislocation Dependence of Cationic Diffusion in SrTiO3. J. Amer. Ceram. Soc. 49 (10), 521-526 (1966).
- Yamamoto, T., Hayashi, K., Ikuhara, Y., Sakuma, T. Grain Boundary Structure and Electrical Properties in Nb-Doped SrTiO<sub>3</sub> Bicrystals. Key Eng. Mater. 181-182, 225-230 (2000).
- Fitting, L., Thiel, S., Schmehl, A., Mannhart, J., Muller, D. A. Subtleties in ADF imaging and spatially resolved EELS: A case study of low-angle twist boundaries in SrTiO3. Ultramicroscopy. 106 (11-12), 1053-1061 (2006).
- Hughes, L. A., van Benthem, K. Formation of SrTiO3 bicrystals using spark plasma sintering techniques. Scr. Mater. 118, 9-12 (2016).
