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Engineering

Spark Plasma Sintering appareil utilisé pour la formation de titanate de strontium bicristaux

Published: February 9, 2017 doi: 10.3791/55223
Automatic Translation
1, 1
1Department of Materials Science and Engineering, University of California, Davis

Introduction

Frittage Spark plasma (SPS) est une technique dans laquelle l' application d' une pression uniaxiale élevée et conduit à courant continu à impulsions à la densification rapide de la poudre compacte 1. Cette technique conduit également à la formation réussie de structures composites à partir de divers matériaux, y compris du nitrure de silicium / carbure de silicium, borure de zirconium / carbure de silicium ou le carbure de silicium, sans adjuvants de frittage supplémentaires nécessaires 2, 3, 4, 5. La synthèse de ces structures composites par des moyens classiques de pressage à chaud avait été difficile dans le passé. Bien que l' application d'une pression uniaxiale élevée et le taux de chauffage rapide par la technique SPS améliore la consolidation des poudres et des matériaux composites, le phénomène provoquant cette densification accrue débattue dans la littérature 2, 3,class = "xref"> 6, 7. Il existe également que des informations limitées concernant l'influence des champs électriques sur la formation des joints de grains et les structures atomiques résultantes des noyaux de joints de grains 8, 9. Ces structures de base déterminent les propriétés fonctionnelles des matériaux frittés SPS, y compris la répartition électrique des condensateurs à haute tension et la résistance mécanique et la ténacité des 10 oxydes céramiques. Par conséquent, la compréhension de la structure des joints de grains de base en fonction des paramètres de traitement SPS, tels que le courant appliqué est nécessaire pour la manipulation des propriétés physiques globales d'un matériau. Une méthode pour élucider systématiquement les mécanismes physiques fondamentaux qui sous - tendent SPS est la formation de structures de joints de grains spécifiques, à savoir, bicristaux. Un bicristal est créé par la manipulation de deux monocristaux, qui sont ensuite diffusion liée avec désorientation spécifique angles 11. Cette méthode permet d' une manière contrôlée pour étudier les structures de noyau de joints de grains fondamentales en fonction des paramètres de traitement, la concentration de dopant, et l' impureté de ségrégation 12, 13, 14.

Soudage par diffusion dépend de quatre paramètres: la température, la durée, la pression et l' atmosphère de liaison 15. Conventionnel liaison par diffusion de titanate de strontium (SrTiO 3, STO) bicristaux se produit typiquement à une pression inférieure à 1 MPa, dans une plage de température de 1,400-1,500 ° C et des échelles de temps allant de 3 à 20 heures 13, 14, 16, 17. Dans cette étude, la liaison dans un appareil SPS est réalisé à différentes échelles de température et de temps significativement plus bas à comparaison des procédés classiques. Pour les matériaux polycristallins, réduit les échelles de température et de temps via SPS limite considérablement la croissance des grains, assurant ainsi un contrôle avantageux des propriétés d'un matériau à travers la manipulation de sa microstructure.

L'appareil SPS, pour un échantillon de 5 x 5 mm 2, exerce une pression minimale de 140 MPa. Dans la gamme conventionnelle de la température de soudage par diffusion, Hutt et al. signaler la rupture instantanée de la STO lorsque la pression de liaison est supérieure à 10 MPa 18. Cependant, la STO présente un comportement de plasticité dépendant de la température, de la pression de collage indiquant peut dépasser 10 MPa à des températures spécifiques. Au-dessus de 1200 ° C et inférieure à 700 ° C, STO présente une certaine ductilité, au cours de laquelle des contraintes supérieures à 120 MPa peuvent être appliquées sans fracture immédiate de l'échantillon. Dans la gamme de température intermédiaire de 700-1,200 ° C, la STO est la rupture instantanée fragile et expériences stresses supérieure à 10 MPa. À 800 ° C, la STO a déformabilité mineur avant la rupture à des contraintes inférieures à 200 MPa , 19, 20, 21. Par conséquent, des températures de liaison pour la formation STO bicristal SPS par l'intermédiaire d'un appareil doivent être choisis en fonction du comportement de plasticité du matériau.

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Protocol

1. Préparation des échantillons de simple cristal de titanate de strontium

NOTE: Un seul cristal STO est fourni avec une surface (100) polie pour une finition miroir.

  1. Section STO en 5x5 mm 2 pièces à l' aide de scie à fil diamanté.
  2. ULTRASONS échantillons propres à 50-60 Hz consécutivement dans des bains d'acétone, isopropanol, méthanol pendant quinze minutes chacune.
  3. Retirer STO de bain de méthanol pour placer immédiatement sur la plaque chaude maintenue à une température de 200 ° C. Le chauffage de l'échantillon après le nettoyage empêche la formation de l'évaporation des taches de l'alcool.
  4. Placer les échantillons pendant dix minutes dans de l'acide fluorhydrique tamponné (pH = 4), 6: Solution 1 de fluorure d'ammonium et d'acide fluorhydrique à 49%. 22 Cette solution décape la STO, la formation d' un (100) TiO 2 surface essentiellement terminée. Si le côté optiquement plat du monocristal a une patine d'arc en ciel, l'échantillon a été trop gravé et devrait not être utilisé.
  5. Au bout de dix minutes dans la solution décapante, rincer les échantillons dans déionisée (DI), puis dans l'isopropanol. Sécher avec de l'air de la maison propre.

2. Formation bicristal par Spark Plasma Sintering Appareil

NOTE: Pour 5x5 mm 2 cristal utilisation d' un diamètre de 30 mm graphite die. Si une filière ayant un diamètre inférieur à 30 mm est utilisé, la fracture bicristal invalidante pendant le collage. la taille optimale de la filière ainsi que la pression exercée par l'appareil SPS est fortement dépendante de la taille des cristaux.

  1. Placer un cercle de 30 mm de papier de graphite sur un piston en graphite avec un diamètre de 30 mm. papier graphite empêche STO de se lier au piston de graphite lors de l'expérience.
  2. Empilez deux mm 2 STO monocristaux 5x5 avec leurs surfaces optiquement plates placées vers l' intérieur pour former la limite bicristal. Centre de la pile au-dessus du papier graphite et plongeur.
  3. Faites pivoter le haut cri uniquestal autour de l'axe <100> à un angle de défaut d'orientation choisie. L'axe <100> perpendiculaire à la surface optiquement plane de cristal.
  4. Faites glisser la matrice de graphite sur le piston et cristaux. Placer un second cercle de 30 mm de diamètre de papier de graphite puis diamètre plongeur de 30 mm sur les cristaux de la STO empilés.
  5. Empilez les pistons combinés et mourir sur les entretoises de graphite dans les appareils SPS (figure 1).
  6. Appliquer une force uniaxiale de 3 kN pour minimiser la résistance de contact à l'aide des boutons de commande d'axe z. Tout au long de l'expérience, l'utilisateur doit garder la force à 3 kN via les boutons de commande d'axe z.
  7. Insérez de type k thermocouple dans le graphite meurent au petit trou, représenté sur la figure 1. Le thermocouple se prolonge à travers la matrice de l'échantillon.
  8. Régler la pression de la chambre de l'appareil SPS pour ~ 10 Pa en utilisant les boutons poussoirs à vide.
  9. Sélectionnez la température de liaison, le temps, et le chauffage des taux par instrument du programme coLogiciel de ntrol (tableau 1). Pour la température et le temps de liaison, en utilisant une vitesse de chauffage de 70 à 80 ° C / min et une vitesse de refroidissement de 50 ° C / min.
  10. Set 12 s sur, 2 s hors impulsion DC en utilisant l'instrument bouton frittage. Une polarisation pulsée de ~ 4 V et un courant continu de ~ 550 A sont appliquées de manière incrémentielle à l'échantillon une fois que le programme est réglé pour fonctionner.
  11. Appuyez sur le bouton de démarrage sur la machine.
  12. Retirer l'échantillon lorsque le programme se termine. Après la formation bicristal, l'échantillon apparaît gris-noir en raison de l'environnement réducteur de l'appareil SPS.
  13. Utiliser un four à haute température à une température de 1200 ° C pendant 140 heures, ne pas appliquer de pression au cours de cette procédure, pour recuire et réoxyder l'échantillon dans l'air. Paramètres de recuit ont été sélectionnés en fonction de travaux antérieurs réalisés par Hutt et al. dans lequel bicristaux formé sous vide poussé 13. Après le recuit, l'échantillon révèle une couleur blanc cassé et est oxydé.

  1. Coupe transversale bicristal avec scie à fil diamanté en mm 5x1 2 sections.
  2. échantillons de section polonaise avec un film de diamant de rodage. La taille de grain sur le film de diamant de rodage est progressivement diminué, passant de 9 pm à 0,1 pm. Changer de petite taille de grain, une fois les rayures sont uniformes sur toute la surface. Utilisez un plateau mouvement anti-horaire pour 9 pm à 6 pm clapotis film. Utilisez un plateau mouvement anti-horaire avec une tête d'échantillon oscillant pour 6 um à 0,1 um film de rodage.
  3. échantillons de section polonaise avec de la silice colloïdale pendant deux minutes à l'aide d'un chiffon mat. verser en continu la silice colloïdale sur le tapis avec un mouvement dans le sens antihoraire de la platine et la tête de l'échantillon oscillant.
  4. Quinze secondes avant de retirer l'échantillon, arrêter de verser la silice colloïdale et verser de l'eau DI sur la platine. Versez de l'eau DI pendant quinze secondes, retirer l'échantillon, et rincer immédiatement l'échantillondans de l'eau DI pendant 1 min. Si cette procédure ne sont pas respectées, la silice colloïdale adhère à la surface de l'échantillon et obscurcir la limite des grains au cours de microscopie électronique à balayage (MEB).
  5. Une fois que l'échantillon est poli sur une surface optiquement lisse, des échantillons consécutifs de nettoyage aux ultrasons dans un bain d'acétone, l'isopropanol et le methanol pendant quinze minutes chacune.
  6. Retirer STO de bain de méthanol pour placer immédiatement sur la plaque chaude maintenue à une température de 200 ° C. Le chauffage de l'échantillon après le nettoyage empêche la formation de l'évaporation des taches de l'alcool.
  7. Monter l'échantillon surface polie vers le haut sur un bout de l'échantillon à l'aide de graphite colloïdal.
  8. Sputter surface de l'échantillon de la couche avec 2-3 nm de carbone. Utilisez les paramètres suivants pour la coucheuse de carbone: une résolution d'impulsion de 0,2 nm / pouls, la fréquence de l'étape actuelle de 0,2 A / impulsion, le courant d'impulsion de 40 A, longueur d'impulsion de 2 s, et des impulsions maximales de 50.

4. Nettoyage de la FIB Copper Grille

  1. Placer la grille en cuivre FIB dans un bain d'isopropanol, d'acétone, puis pendant 1 h chacun.
  2. Plasma cuivre propre grille de FIB pendant 10 min.

5. Préparation de la microscopie électronique à transmission (MET) Lamella via Focused Ion Beam (FIB) Appareil

REMARQUE: Tous les paramètres utilisés dans la préparation FIB sont dactylographiés ou choisi dans un menu déroulant dans le logiciel de l'appareil de FIB.

  1. Placer l'échantillon de la STO et de cuivre grille de FIB dans un appareil FIB. La scène est à 7 mm.
  2. Trouver une région d'intérêt le long de l'interface entre les deux monocristaux, soit la limite de grain.
  3. Sélectionnez la boîte de dialogue Modélisation. In Control Modélisation, sélectionnez l'outil Rectangle Modélisation avec la propriété de surface d'application This-dep. Insérez C-dep pour l'injection de gaz. Déposez 15 × 2 × 2 pm 3 couche protectrice de carbon à l'aide du faisceau d'électrons sous une tension de 5,0 kV, un courant de 13,0 nA, et un angle d'inclinaison de 0 °. Rentrez C-dep.
  4. Sélectionnez la boîte de dialogue Modélisation. In Control Modélisation, sélectionnez l'outil Rectangle Modélisation avec la propriété de l'application W-dep. Insérez W-dep pour l'injection de gaz. Dépôt 15 × 2 × 2 3 um couche protectrice de tungstène en utilisant le faisceau d'ions à une tension de 30,0 kV, un courant de 0,3 nA, et un angle d'inclinaison de 52 °. Rentrez W-dep.
  5. Sélectionnez la boîte de dialogue Modélisation. In Control Modélisation, sélectionnez le Regular Cross Section Patterning outil avec propriété d'application Si. Utiliser 22 x 25 x 15 um 3 pour le motif de fond et de 22 × 27 × 15 um 3 pour le modèle supérieure à une tension de 30,0 kV, un courant de 30,0 nA, et un angle d'inclinaison de 52 ° par le faisceau d'ions. Le motif créer un broyeur à tranchée des deux côtés de la couche protectrice.
  6. Sélectionnez la boîte de dialogue Modélisation. In Control Modélisation, sélectionnez le CleanTraverser la section Modélisation d'outils avec la propriété d'application Si. Utiliser 22 × 3 × 60 3 um pour le motif supérieur et inférieur à une tension de 30,0 kV et un courant de 1,0 nA par le faisceau d'ions. L'angle d'inclinaison est de 53,5 ° pour le motif de fond et 50,5 ° pour le modèle supérieur. Le motif nettoie la surface de la lamelle tranchée à partir du motif curtaining qui résulte de la section transversale régulière de motifs.
  7. Couper un J-motif dans l'échantillon en utilisant l'outil de structuration Rectangle avec la propriété d'application Si. Utiliser 2 um pour la largeur avec une tension de 30,0 kV et un courant de 1,0 nA par le faisceau d'ions.
  8. Sélectionnez Facile boîte de dialogue de levage. Insérez le micromanipulateur à la position de stationnement. Abaisser le micromanipulateur et fixer l'échantillon à la grille de FIB de cuivre par l'intermédiaire d'une soudure de tungstène en utilisant le procédé décrit dans 5.4.
  9. En utilisant les étapes décrites dans 5.7, μcut un demi-modèle, la poursuite de la J-modèle original, dans l'échantillon à l'aide du faisceau d'ions à une tension de30,0 kV et un courant de 1,0 nA.
  10. Soulevez la lamelle par le micromanipulateur dessus de l'échantillon en vrac.
  11. Faire tourner le micromanipulateur 180 °, de sorte que la limite de grain est plus parallèle au faisceau d'ions, mais perpendiculairement au faisceau d'ions.
  12. Tungstène souder la lamelle à une grille de FIB de cuivre en utilisant les étapes décrites en 5.4 avec le faisceau d'ions à une tension de 30,0 kV et un courant de 0,3 nA.
  13. Couper le micromanipulateur de la lamelle en utilisant les étapes décrites dans 5,7 avec le faisceau d'ions à une tension de 30,0 kV et un courant de 1,0 nA.
  14. Répétez les étapes décrites en 5.3. Déposer une couche 15 x 2 x 3 4 um protecteur de carbone en utilisant un faisceau d'électrons sous une tension de 5,0 kV, un courant de 13,0 nA, et un angle d'inclinaison de 0 °.
  15. Répétez les étapes décrites en 5.4. Dépôt de 15 x 2 x 3 8 um couche protectrice de tungstène à l' aide d' un faisceau ionique sous une tension de 30,0 kV, un courant de 0,3 nA, et un angle d'inclinaison de 52 °.
  16. Avecle faisceau d'ions, mince de l'échantillon à environ 200 nm, en utilisant une tension de 30,0 kV et un courant décroissant de façon systématique 0,5 nA nA 0,3 et 0,1 nA. A ce stade, une section transversale motif de nettoyage est utilisé, et l'échantillon est incliné à un angle de 52 ±± 1,5 °.
  17. Avec le faisceau d'ions, l'échantillon mince à électrons transparence en utilisant une tension de 5,0 kV et un courant de 77,0 uA. A ce stade, un motif rectangulaire est utilisé avec un angle d'inclinaison de 52 ± 3 °.
  18. Supprimer des dommages encourus amorphe de la FIB par le nettoyage de l'échantillon à une tension de 500 eV et un courant de 150 uA.
  19. Placer l'échantillon de TEM dans TEM support et insert support au microscope électronique à balayage par transmission (STEM). Sélectionnez 'capture', joints de grains de l'échantillon d'image.

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Representative Results

Température de liaison, le temps et l' angle de désorientation sont tous modifiés pour déterminer les paramètres optimaux nécessaires pour la fraction d'interface de liaison maximale possible de la bicristal STO (tableau 1). L'interface a été considérée comme «liée» lorsque la limite de grain non visible lors de l' imagerie MEB (Figure 2a). Une interface «non liée» a été exposé quand un contraste d' image sombre ou vides étaient présents à l'emplacement de la limite (Figure 2b). contraste de l'image sombre signifié graphite colloïdal de la procédure de montage de FIB avait diffusé entre les deux cristaux de la STO en raison des effets capillaires. Cette interface non liée est observée au niveau des bords de la bicristal, tandis que l'interface de liaison est observée au centre de la bicristal. Le changement de comportement de liaison à partir du bord vers le centre des bicristaux formés par un appareil SPS est également observée dans bicristaux formées par pressage à chaud techniques 6.

la formation de micro-fissures dans la masse de la bicristal est observée dans tous les échantillons. Pour bicristaux collés avec succès, la formation de micro-fissures ne pas interférer avec l'interface de liaison. À une température de collage de 1200 ° C, étendue de micro-fissuration se produit, conduisant à une rupture fragile du bicristal au cours du recuit. Par conséquent, la température de liaison dans l'appareil SPS a été maintenue en dessous de 800 ° C pour éviter la rupture catastrophique.

Pour bicristaux avec 0 ° d'angle de désorientation, à des températures de liaison de 600 ° C et 700 ° C, une interface liée avec succès à 95% a été obtenu. Une augmentation de l'angle de désorientation du bicristal à 44,4 ° nécessite une température de collage de 800 ° C et le temps de collage de 90 minutes pour réaliser une interface de liaison avec succès 45,8%. Haute résolution TEM (HRTEM) et champ sombre haute annulaire d'angleLa microscopie électronique à balayage par transmission (STEM HAADF) micrographies de cet échantillon révèle une structure de limite de grain atomiquement brusque sans pellicule intergranulaire ou des phases secondaires présentes (figure 3). Résolue spatialement électrons perte d'énergie par spectroscopie (EELS) enregistrée directement à partir de l'interface indique une réduction de la division du champ cristallin du Ti L 3 et L 2 arêtes ainsi qu'une diminution de l'intensité de bord OK par rapport à la masse (figure 4) .

bicristal Twist Orientation (°) Bond Température (° C) Temps Bond (min) Température de recuit (° C) Temps de recuit (h) Interface lié ± 0,3 (en%)
UNE 0 * 1200 15 1200 16 -
B 0 600 90 1200 100 92,3
C 0 700 90 1200 100 99,7
ré 4,3 ± 0,3 800 20 1200 50 79,2
E 45 * 700 60 1200 140 1.3
F 46,1 ± 0,5 800 20 1200 140 35,4
g 44,4 ± 0,1 800 90 1200 140 45,8

Tableau 1. Paramètres de collage et ultérieure Fraction d'interface de bicristaux. appareil SPSdiffusion des paramètres de liaison et ultérieures fractions d'interface liées de bicristaux STO. Une tension de polarisation pulsée de ~ 4 V et un courant continu de ~ 550 A est appliqué pour toutes les expériences. Les fractions d'interface de liaison ont été calculées à partir d'une longueur limite de grain moyenne de (1,5 ± 0,4) mm. Ces régions ont été prises dans des zones différentes au sein de la bicristal.

Figure 1
Figure 1. Spark Plasma Sintering Appareil. Mettre en place pour l'appareil de frittage flash. La pression est appliquée perpendiculairement à l'interface bicristal. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Interfaces typiques Trouvé dans SPS Apparatus bicristaux Formé. Nominal 45 ° bicristal de torsion formé à une température de 800 ° C pendant 90 minutes. (A) L' image MEB d'interface définie "collée", l'emplacement de la limite des grains est déduite par la présence d'un vide à facettes, et (b) l' image SEM de l'interface définie "non liée". perles sphériques dans les images observées sont de la silice résiduelle de polissage. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

figure 3
Figure 3. Resolution Imaging Haut de bicristal Grain Boundary. Limite de la valeur nominale bicristal 45 ° de torsion formé à une température de 800 ° C pendant 90 minutes enregistrées dans <100> axe de la zone avec un bord sur l'orientation du plan d'interface. ( (b) de l' image HRSTEM DF, et (c) le modèle de la structure composée de deux monocristaux, l' un en direction <100> et l' autre dans <110> axe de la zone d' orientation avec un {001} plan d' interface. Écarts des données d'imagerie expérimentales du modèle de la structure projetée représentent des changements de la configuration de l'interface par rapport aux positions idéales des atomes monocristallines. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. Structure et Chimie des bicristal Grain Boundary. Near edge structure fine de (a) Ti L 2,3 bord et (b) le bord OK pris à la frontière et la majeure partie de 45 ° torsion bicristal formée à une température de 800° C pendant 90 minutes. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5. FIB Fraisage à bicristal Grain Boundary. Des images HRTEM de FIB MET lamelle de (a) avec l' échantillon limite de grain parallèle au faisceau d'ions et (b) l' échantillon avec joint de grain perpendiculaire au faisceau d'ions. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

La température de collage de 1200 ° C a été choisie pour maximiser la diffusion sous forme de petits changements de température peuvent affecter fortement la cinétique de l'ensemble des mécanismes de liaison par diffusion. Une température de 1200 ° C est en dehors de la plage de température de transition fragile-ductile du STO. Toutefois, l'échantillon a subi une rupture fragile à cette température. L'échec catastrophique de la bicristal STO était pas inattendue que STO a ~ 0,5% ductilité à 1200 ° C. En outre, l'échantillon a été maintenu à une pression de 140 MPa pendant tout le processus de chauffage et de la STO transitions à travers son stade fragile au cours de ce processus de chauffage où il a 0% ductilité 21. Ainsi réussie liaison par diffusion de monocristaux via l'appareil SPS nécessite une compréhension approfondie du comportement de plasticité dépendant de la température d'un matériau.

Deux bicristaux ont été formées en utilisant une température de collage de 800 ° C et un temps de collage de 20 minutes. lebicristal avec une mauvaise orientation nominale de 4˚ a été recuite pendant 50 heures et présentait une fraction de 2,2x interface liée supérieure à la bicristal avec une mauvaise orientation nominale de 45 ° C, recuit pendant 140 heures. temps de recuit plus long que 50 heures ne révèlent aucune amélioration significative de la qualité de liaison par diffusion. Température et le temps de recuit ont été choisies en fonction des travaux antérieurs dans lesquels les bicristaux ont été formés dans un four à vide élevé, similaire à l'appareil 11 de SPS. Pour savoir s'il y avait un impact du processus de recuit sur la liaison de diffusion de ces bicristaux, des longueurs de liaison de diffusion ont été calculées et jugées 0,27 nm à une température de 1200 ° C pendant 140 heures 23. Les paramètres sélectionnés de recuit, par conséquent, seuls ont un impact limité sur la liaison par diffusion du bicristal. Cette analyse a également été pris en charge lorsque la liaison par diffusion d'un bicristal avec une désorientation 45 ° torsion n'a pas étéavec succès pour les mêmes paramètres utilisés lors du recuit.

Bien que les paramètres de recuit sélectionnés n'ont pas influé de manière significative la liaison par diffusion, l'angle de désorientation n'a un effet prononcé. les angles de désorientation forte inclinaison crée un plus grand déséquilibre structurel entre les deux demi-cristaux, ce qui empêche la diffusion transversale et diminue la liaison d'interface. Pour des angles élevés de désorientation, de la température et le temps de liaison doivent être augmentées afin d'avoir une fraction d'interface liée avec succès plus grand.

la formation bicristal par des techniques de traitement SPS se produit à des échelles de temps considérablement accélérées et des plages de températures modérées par rapport aux procédés classiques de pressage à chaud. Cette différence dans les paramètres de traitement entre une liaison par diffusion classique et le procédé SPS est également observée dans la formation des poudriers et des composites. Comme il est mentionné ci-dessus, bicristaux formée par des méthodes de liaison par diffusion conventionnellessont formés à des températures supérieures à 1400 ° C avec des échelles de temps allant de 3 à 20 heures 11, 24. En utilisant un instrument SPS, la liaison par diffusion a lieu à une température de 800 ° C avec des échelles de temps allant de 20 à 90 minutes. La technique SPS est donc utile pour la liaison par diffusion rapide des bicristaux par rapport aux procédés classiques. formation bicristal par l'instrument SPS permet également l'observation expérimentale des mécanismes de transfert de masse à une limite de grain avec un mésorientation sélectionné. Cette observation expérimentale permettront de mieux comprendre les mécanismes qui sous-tendent la technique SPS.

Les micro-fissures dans la bicristal vrac STO empêché la préparation mécanique TEM lamellaire classique. Le processus d'amincissement mécanique a conduit à la rupture de la lamelle TEM due à des micro-fissures d'étalement dans la masse. Par conséquent, FIB préparation de la lamelle de TEM a été utilisé. FIB conventionnelle lift de la lamelle, dans lequel la limite de grain est parallèle au faisceau d'ions, conduit à mouture préférentielle le long du plan d' interface (figure 5a). La technique de préparation de FIB a ensuite été modifiée. Tout d'abord, l'épaisseur de la couche protectrice initiale du carbone et du tungstène a été choisi de telle sorte qu'à la fin de l'étape de lift-out, la couche protectrice a été broyée à une distance. Si la couche de protection était trop épaisse et est resté tout au long du processus d'amincissement, re-dépôt de tungstène a eu lieu et obscurcie l'analyse TEM. En second lieu, après que la lamelle de MET a été attaché à la pointe du micromanipulateur, le micromanipulateur a été tourné de 180 °. Cette rotation a provoqué la limite de grain devienne perpendiculaire au faisceau d'ions, par conséquent , la prévention de l' amincissement préférentiel (figure 5b). Enfin, après que le processus de levage, à couches protectrices de carbone et de tungstène sont déposés sur la surface de la lamelle TEM nouvellement orienté. Ces modifications à la pr FIB conventionnelletechnique a séparation conduit à une lamelle de TEM propre permettant la résolution d'imagerie atomiquement par HAADF-STEM.

HRTEM et HAADF-STEM micrographies pour le bicristal lié à 800 ° C pendant 90 minutes avec un 45 ° limite de grain de torsion nominale montrent une structure des joints de grains atomiquement résolus sans phases secondaires. EELS résolus spatialement révèlent des changements dans la coordination de Ti dans les noyaux de joints de grains, ce qui indique une augmentation de la concentration de lacune d'oxygène par rapport à la masse. Ces résultats sont cohérents avec les rapports dans la littérature pour faible angle des joints de grains de torsion 25. Une analyse plus approfondie de ces expériences est décrit ailleurs 26.

Dans cette étude, bicristaux STO ont été synthétisés avec succès pour la première fois en utilisant un appareil SPS. Bicristaux avec des orientations de torsion de 0 °, 4 ° et 45 ° ont été formées à haute pression avec des températures de liaison modérée et le tempséchelles par rapport à ces paramètres on trouve dans le collage classique. Formation de bicristaux via l'appareil SPS fournit l'occasion de déterminer quantitativement l'impact du champ électrique ainsi que le taux de chauffage sur les grains structures de base des limites sélectionnées.

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Acknowledgments

LH tient à remercier le soutien financier par une Science Foundation Graduate Research Fellowship US National sous Grant No. 1148897. La microscopie électronique la caractérisation et le traitement SPS à l'UC Davis a été soutenu financièrement par une bourse de l'Université de Californie Laboratory Fee (n ° 12-LR-238313). Travail à la Fonderie Moléculaire a été soutenu par le Bureau de la science, Bureau des sciences fondamentales de l' énergie, du Département américain de l' énergie sous contrat No. DE-AC02-05CH11231.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 μm to 9 μm Grit Size
Diamond lapping film 3M 661X 0.5 μm to 0.1 μm Grit Size
Colloidal silica Allied High Tech Products 180-20000 0.05 μm 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 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Spark Plasma Sintering appareil utilisé pour la formation de titanate de strontium bicristaux
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Hughes, L. A., van Benthem, K. Spark Plasma Sintering Apparatus Used for the Formation of Strontium Titanate Bicrystals. J. Vis. Exp. (120), e55223, doi:10.3791/55223 (2017).

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