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Engineering

चिंगारी प्लाज्मा Sintering उपकरण स्ट्रोंटियम titanate Bicrystals के गठन के लिए प्रयुक्त

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

Introduction

चिंगारी प्लाज्मा sintering (एसपीएस) एक तकनीक है जिसमें पाउडर के तेजी से densification करने के लिए उच्च अक्षीय दबाव और स्पंदित प्रत्यक्ष वर्तमान सुराग के आवेदन काम्पैक्ट 1 है। इस तकनीक को भी, सिलिकॉन नाइट्राइड / सिलिकॉन कार्बाइड, zirconium boride / सिलिकॉन कार्बाइड, या सिलिकॉन कार्बाइड सहित विभिन्न सामग्री, से समग्र संरचनाओं के सफल गठन की ओर से कोई अतिरिक्त sintering एड्स के साथ आवश्यक 2, 3, 4, 5। पारंपरिक गर्म दबाव था अतीत में चुनौती रहा द्वारा इन समग्र संरचनाओं के संश्लेषण। जबकि एसपीएस तकनीक के माध्यम से एक उच्च अक्षीय दबाव और तेजी से हीटिंग दर के आवेदन पाउडर और कंपोजिट के समेकन को बढ़ाता है, घटना साहित्य 2, 3 में बहस इस बढ़ाया densification के कारण,वर्ग = "xref"> 6, 7। वहाँ भी केवल सीमित अनाज सीमा गठन पर बिजली क्षेत्र के प्रभाव के बारे में जानकारी और अनाज सीमा कोर 8, 9 के परिणामस्वरूप परमाणु संरचना मौजूद है। ये मूल संरचनाओं का निर्धारण एसपीएस धातुमल सामग्री के कार्यात्मक गुण, उच्च वोल्टेज बिजली capacitors के टूटने और यांत्रिक शक्ति और चीनी मिट्टी के आक्साइड 10 की बेरहमी भी शामिल है। इसलिए, इस तरह लागू किया वर्तमान के रूप में एसपीएस प्रसंस्करण मानकों, के एक समारोह के रूप में मौलिक सीमा अनाज संरचना को समझने, एक सामग्री के समग्र भौतिक गुणों के हेरफेर के लिए आवश्यक है। व्यवस्थित एसपीएस underpinning मूलभूत भौतिक तंत्र को स्पष्ट करने के लिए एक विधि विशिष्ट अनाज सीमा संरचनाओं, यानी, bicrystals के गठन है। एक bicrystal दो एकल क्रिस्टल, जो तब के हेरफेर के द्वारा बनाई गई है diffuविशिष्ट misorientation साथ बंधुआ सायन कोण 11। इस विधि प्रसंस्करण मानकों के एक समारोह में, dopant एकाग्रता, और अशुद्धता अलगाव 12, 13, 14 के रूप में मौलिक अनाज सीमा कोर संरचनाओं की जांच के लिए एक नियंत्रित हो गए हैं।

तापमान, समय, दबाव, और संबंधों माहौल 15: प्रसार संबंध चार मापदंडों पर निर्भर है। स्ट्रोंटियम titanate की पारंपरिक प्रसार संबंध (SrTiO 3, एसटू) आम तौर पर bicrystals, 1 एमपीए के नीचे एक दबाव पर होता है 1,400-1,500 डिग्री सेल्सियस के तापमान सीमा के भीतर है, और समय तराजू 3 से 20 घंटे 13, 14, 16, 17 से लेकर। इस अध्ययन में, एक एसपीएस तंत्र में संबंध ग में काफी कम तापमान और समय तराजू पर हासिल की हैपारंपरिक तरीकों की omparison। polycrystalline सामग्री के लिए, तापमान और समय तराजू को कम कर के माध्यम से एसपीएस काफी अनाज विकास को सीमित करता है जिससे इसकी microstructure की हेरफेर के माध्यम से एक सामग्री के गुणों के लाभप्रद नियंत्रण प्रदान करते हैं।

एसपीएस तंत्र, एक 5 × 5 मिमी 2 नमूना के लिए, 140 एमपीए की एक न्यूनतम दबाव डाल रही है। पारंपरिक प्रसार संबंध तापमान सीमा के भीतर, हट एट अल। एसटू की तात्कालिक फ्रैक्चर रिपोर्ट जब संबंध दबाव 10 एमपीए 18 से अधिक है। हालांकि, एसटू तापमान निर्भर प्लास्टिसिटी व्यवहार दर्शाती है, यह दर्शाता संबंध दबाव विशिष्ट तापमान पर 10 एमपीए पार कर सकते हैं। ऊपर 1,200 डिग्री सेल्सियस और 700 डिग्री सेल्सियस से नीचे, एसटू कुछ लचीलापन है, जो नमूने की तात्कालिक फ्रैक्चर के बिना लागू किया जा सकता से अधिक 120 एमपीए पर जोर दिया दर्शाती है। 700-1,200 डिग्री सेल्सियस के मध्यवर्ती तापमान सीमा के भीतर, एसटू है पर भंगुर और अनुभवों तात्कालिक फ्रैक्चर है10 एमपीए से अधिक बाल। 800 डिग्री सेल्सियस, एसटू नाबालिग विरूपता 200 एमपीए 19, 20, 21 से कम तनाव में फ्रैक्चर होने से पहले की है। इसलिए, एसपीएस तंत्र के माध्यम से एसटू bicrystal गठन के लिए संबंध तापमान सामग्री के plasticity व्यवहार के अनुसार चयनित किया जाना चाहिए।

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Protocol

1. एकल क्रिस्टल स्ट्रोंटियम titanate का नमूना तैयार

नोट: एकल क्रिस्टल एसटू एक (100) सतह एक दर्पण खत्म करने के लिए पॉलिश के साथ आपूर्ति की है।

  1. 5x5 मिमी 2 हीरा तार का उपयोग कर टुकड़ों में धारा एसटू देखा।
  2. पंद्रह मिनट प्रत्येक के लिए एसीटोन, isopropanol, और मेथनॉल के स्नान में 50-60 हर्ट्ज लगातार पर Ultrasonically साफ नमूने हैं।
  3. मेथनॉल स्नान से एसटू हटाये तुरंत गर्म थाली 200 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर आयोजित पर जगह। सफाई के बाद नमूना हीटिंग शराब से वाष्पीकरण खोलना के गठन से बचाता है।
  4. अमोनियम फ्लोराइड और 49% Hydrofluoric एसिड की 1 समाधान: बफर Hydrofluoric एसिड में दस मिनट (पीएच = 4), एक 6 के लिए जगह नमूने हैं। 22 यह समाधान एसटू etches, एक मुख्य रूप से (100) 2 Tio समाप्त सतह के गठन। एकल क्रिस्टल की ऑप्टिकली फ्लैट की ओर एक इंद्रधनुष सील किया है, तो नमूना भर-etched और एन चाहिए किया गया हैओटी इस्तेमाल किया जाएगा।
  5. etchant समाधान में दस मिनट के बाद, isopropanol में विआयनीकृत (डीआई) पानी में नमूने कुल्ला और फिर। घर को साफ हवा का उपयोग कर सूखी।

2. Bicrystal चिंगारी प्लाज्मा Sintering उपकरण के माध्यम से गठन

नोट: 5x5 मिमी 2 क्रिस्टल का इस्तेमाल एक 30 मिमी व्यास ग्रेफाइट मरते हैं। एक व्यास के साथ एक छोटे से मरने 30 मिमी प्रयोग किया जाता है, तो bicrystal भयंकर संबंध दौरान भंग। इष्टतम मरने के आकार के रूप में अच्छी तरह से दबाव एसपीएस तंत्र द्वारा लगाए गए क्रिस्टल के आकार पर निर्भर है।

  1. ग्रेफाइट कागज के एक 30 मिमी चक्र एक 30 मिमी व्यास के साथ एक ग्रेफाइट सवार पर रखें। ग्रेफाइट कागज प्रयोग के दौरान ग्रेफाइट सवार संबंधों से एसटू से बचाता है।
  2. उनकी ऑप्टिकली फ्लैट आवक का सामना करना पड़ bicrystal सीमा फार्म के लिए रखा सतहों के साथ दो 5x5 मिमी 2 एसटू एकल क्रिस्टल हो चुकी है। ग्रेफाइट कागज और सवार के शीर्ष पर ढेर केंद्र।
  3. शीर्ष एकल रो घुमाएँआसपास <100> एक चुना misorientation कोण करने के लिए अक्ष STAL। <100> अक्ष क्रिस्टल की ऑप्टिकली सपाट सतह को सीधा है।
  4. स्लाइड सवार और क्रिस्टल के ऊपर ग्रेफाइट मर जाते हैं। ग्रेफाइट कागज का एक दूसरा 30 मिमी व्यास चक्र और खड़ी एसटू क्रिस्टल से अधिक है तो 30 मिमी व्यास सवार रखें।
  5. संयुक्त plungers ढेर और एसपीएस तंत्र में ग्रेफाइट spacers (चित्रा 1) पर मर जाते हैं।
  6. जेड अक्ष नियंत्रण बटन का उपयोग कर संपर्क प्रतिरोध को कम करने के लिए 3 केएन एक अक्षीय बल को लागू करें। प्रयोग के दौरान, उपयोगकर्ता जेड अक्ष नियंत्रण बटन के माध्यम से 3 केएन पर बल रखना चाहिए।
  7. छोटा सा छेद, चित्रा 1 में दिखाया गया है पर ग्रेफाइट मरने में कश्मीर प्रकार thermocouple डालें। thermocouple के नमूने के लिए मरने के माध्यम से फैली हुई है।
  8. एसपीएस तंत्र के लिए ~ 10 Pa वैक्यूम पुश बटन का उपयोग करने का चैम्बर दबाव सेट करें।
  9. कार्यक्रम साधन सह के माध्यम से चयन बंधन तापमान, समय, और हीटिंग दरोंntrol सॉफ्टवेयर (1 टेबल)। संबंधों में तापमान और समय के लिए, 70-80 डिग्री सेल्सियस / मिनट की एक हीटिंग दर और 50 डिग्री सेल्सियस / मिनट की एक ठंडा दर का उपयोग करें।
  10. पर 12 S, डीसी नाड़ी बंद 2 एस sintering बटन साधन का उपयोग कर सेट करें। एक बार इस कार्यक्रम को चलाने के लिए सेट कर दिया जाता ~ 4 वी के एक स्पंदित पूर्वाग्रह और ~ 550 ए के मौजूदा प्रत्यक्ष नमूना करने के लिए संवर्द्धित लागू कर रहे हैं।
  11. मशीन पर शुरू बटन दबाएँ।
  12. नमूना निकालें जब कार्यक्रम समाप्त होता है। bicrystal गठन के बाद, नमूना एसपीएस तंत्र के कम करने के वातावरण के कारण भूरे काले दिखाई देगा।
  13. 140 घंटे के लिए 1,200 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर एक उच्च तापमान भट्ठी का प्रयोग करें, इस प्रक्रिया के दौरान कोई दबाव लागू होते हैं, पानी रखना और हवा में नमूना फिर से oxidize। एनीलिंग मापदंडों के पिछले काम हट एट अल द्वारा किया के अनुसार चयन किया गया था। जिसमें उच्च वैक्यूम 13 में गठन bicrystals। annealing के बाद, नमूना से एक सफेद रंग का पता चलता है और ऑक्सीकरण हो जाता है।

  1. हीरा तार के साथ क्रॉस-सेक्शन bicrystal 5x1 मिमी 2 वर्गों में देखा।
  2. हीरा lapping फिल्म के साथ पॉलिश पार अनुभाग नमूने हैं। हीरा lapping फिल्म पर धैर्य आकार धीरे-धीरे 0.1 माइक्रोन के लिए 9 माइक्रोन से कम हो जाती है। छोटे धैर्य आकार के बदले एक बार खरोंच सतह भर में एक समान हैं। 9 माइक्रोन के लिए 6 फिल्म lapping माइक्रोन के लिए एक काउंटर दक्षिणावर्त पट्ट गति का प्रयोग करें। 6 माइक्रोन 0.1 माइक्रोन के लिए lapping फिल्म के लिए एक oscillating नमूना सिर के साथ एक काउंटर दक्षिणावर्त पट्ट गति का प्रयोग करें।
  3. एक चटाई कपड़े का उपयोग कर दो मिनट के लिए कोलाइडयन सिलिका के साथ पोलिश पार अनुभाग नमूने हैं। लगातार काउंटर दक्षिणावर्त पट्ट गति और दोलन नमूना सिर के साथ चटाई पर कोलाइडयन सिलिका डालना।
  4. पंद्रह सेकंड नमूना निकालने से पहले, कोलाइडयन सिलिका डालने का कार्य बंद करो और पट्ट पर डि पानी डालना। पंद्रह सेकंड के लिए डि पानी डालो नमूना हटाने, और तुरंत नमूना कुल्ला1 मिनट के लिए डि पानी में। इस प्रक्रिया का पालन नहीं किया जाता है, कोलाइडयन सिलिका नमूना की सतह बांड और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) स्कैनिंग के दौरान अनाज सीमा अस्पष्ट होगा।
  5. एक बार नमूना एक ऑप्टिकली चिकनी सतह को पॉलिश है, ultrasonically साफ नमूने पंद्रह मिनट प्रत्येक के लिए एसीटोन, isopropanol, और मेथनॉल के स्नान में लगातार।
  6. मेथनॉल स्नान से एसटू हटाये तुरंत गर्म थाली 200 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर आयोजित पर जगह। सफाई के बाद नमूना हीटिंग शराब से वाष्पीकरण खोलना के गठन से बचाता है।
  7. माउंट नमूना पॉलिश सतह कोलाइडयन ग्रेफाइट का उपयोग कर एक नमूना ठूंठ पर।
  8. कार्बन के 2-3 एनएम के साथ कोट नमूना की सतह धूम। 0.2 एनएम / नाड़ी, 0.2 ए / नाड़ी की वर्तमान दर कदम, 40 ए की नब्ज वर्तमान, 2 एस की नब्ज लंबाई, और 50 की अधिकतम दालों की एक नाड़ी संकल्प: कार्बन coater के लिए निम्नलिखित मानकों का प्रयोग करें।

4. मिथ्या तांबे ग्रिड सफाई

  1. 1 घंटे से प्रत्येक के लिए एक एसीटोन और फिर isopropanol स्नान में तांबे मिथ्या ग्रिड रखें।
  2. 10 मिनट के लिए प्लाज्मा शुद्ध तांबे मिथ्या ग्रिड।

5. संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (मंदिर) केंद्रित आयन बीम (मिथ्या) उपकरण के माध्यम से Lamella की तैयारी

नोट: मिथ्या तैयारी में इस्तेमाल सभी मापदंडों टाइप या मिथ्या तंत्र सॉफ्टवेयर में एक ड्रॉप डाउन मेनू से चुने गए हैं।

  1. एसटू नमूना और मिथ्या तंत्र में तांबे मिथ्या ग्रिड रखें। चरण 7 मिमी में है।
  2. दो एकल क्रिस्टल, यानी, अनाज सीमा के बीच इंटरफेस के साथ ब्याज की एक क्षेत्र का पता लगाएं।
  3. Patterning के संवाद बॉक्स का चयन करें। Patterning के नियंत्रण में, आवेदन संपत्ति Ce-रवानगी की सतह के साथ आयत patterning के उपकरण का चयन करें। गैस इंजेक्शन के लिए सी-रवानगी डालें। एक 15 × 2 × 2 माइक्रोन 3 सी की सुरक्षात्मक परत जमाArbon 5.0 केवी, 13.0 एनए के एक वर्तमान के एक वोल्टेज पर इलेक्ट्रॉन बीम, और 0 डिग्री के झुकाव कोण का उपयोग कर। वापस लेना सी रवानगी।
  4. Patterning के संवाद बॉक्स का चयन करें। Patterning के नियंत्रण में, आवेदन संपत्ति डब्ल्यू रवानगी के साथ आयत patterning के उपकरण का चयन करें। गैस इंजेक्शन के लिए डब्ल्यू रवानगी डालें। जमा 15 × 2 × 2 माइक्रोन 3 30.0 केवी, 0.3 एनए के एक वर्तमान के एक वोल्टेज पर आयन बीम का उपयोग टंगस्टन की सुरक्षात्मक परत, और 52 डिग्री के झुकाव कोण। वापस लेना डब्ल्यू रवानगी।
  5. Patterning के संवाद बॉक्स का चयन करें। Patterning के नियंत्रण में, आवेदन संपत्ति सी के साथ नियमित रूप से क्रॉस धारा patterning के उपकरण का चयन करें। 30.0 केवी, 30.0 एनए के एक वर्तमान, और आयन बीम के माध्यम से 52 डिग्री के झुकाव कोण के एक वोल्टेज पर शीर्ष पैटर्न के लिए नीचे पैटर्न के लिए और 22 × 27 × 15 माइक्रोन 3 के 22 × 25 × 15 माइक्रोन 3 का प्रयोग करें। पैटर्न सुरक्षात्मक परत के दोनों किनारों पर एक खाई चक्की पैदा करेगा।
  6. Patterning के संवाद बॉक्स का चयन करें। Patterning के नियंत्रण में, स्वच्छ चयनआवेदन संपत्ति सी के साथ क्रॉस सेक्शन patterning के उपकरण। 30.0 केवी के एक वोल्टेज पर ऊपर और नीचे पैटर्न और आयन बीम के माध्यम से 1.0 एनए के एक वर्तमान के लिए 22 × 3 × 60 माइक्रोन 3 का प्रयोग करें। झुकाव कोण नीचे पैटर्न के लिए 53.5 डिग्री और शीर्ष पैटर्न के लिए 50.5 डिग्री है। पैटर्न Curtaining पैटर्न है कि नियमित रूप से पार अनुभाग patterning से परिणाम से trenched लामेल्ला की सतह साफ।
  7. नमूना आवेदन संपत्ति सी के साथ आयत patterning के उपकरण का उपयोग करने में एक जम्मू-पैटर्न में कटौती। 30.0 केवी के एक वोल्टेज और आयन बीम के माध्यम से 1.0 एनए के एक वर्तमान में चौड़ाई के लिए 2 माइक्रोन का प्रयोग करें।
  8. आसान लिफ्ट संवाद बॉक्स का चयन करें। पार्क की स्थिति के लिए micromanipulator डालें। micromanipulator लोअर और इस प्रक्रिया में विस्तृत 5.4 का उपयोग कर एक टंगस्टन वेल्ड के माध्यम से तांबा मिथ्या ग्रिड के लिए नमूना देते हैं।
  9. कदम 5.7 में विस्तृत प्रयोग, के एक वोल्टेज पर आयन बीम का उपयोग कर नमूने में एक यू के पैटर्न μcut, मूल जम्मू-पैटर्न से जारी है,30.0 केवी और 1.0 एनए के एक वर्तमान।
  10. थोक नमूना ऊपर micromanipulator के माध्यम से लामेल्ला लिफ्ट।
  11. micromanipulator 180 डिग्री घुमाएँ, ताकि अनाज सीमा नहीं रह आयन बीम के समानांतर है, लेकिन आयन बीम को सीधा।
  12. टंगस्टन कदम 30.0 केवी के एक वोल्टेज पर आयन बीम और 0.3 एनए के एक वर्तमान के साथ 5.4 में विस्तृत का उपयोग कर एक तांबे मिथ्या ग्रिड से लामेल्ला वेल्ड।
  13. लामेल्ला कदम 30.0 केवी के एक वोल्टेज पर आयन बीम और 1.0 एनए के एक वर्तमान के साथ 5.7 में विस्तृत का उपयोग करने से micromanipulator कट।
  14. कदम 5.3 में विस्तृत दोहराएँ। 5.0 केवी, 13.0 एनए के एक वर्तमान के एक वोल्टेज पर एक इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग कार्बन की एक 15 × 2 × 4 माइक्रोन 3 सुरक्षात्मक परत, और 0 डिग्री के झुकाव कोण जमा।
  15. कदम 5.4 में विस्तृत दोहराएँ। जमा 15 × 2 × 8 माइक्रोन 3 टंगस्टन की सुरक्षात्मक परत 30.0 केवी, 0.3 एनए के एक वर्तमान के एक वोल्टेज पर एक आयन बीम का उपयोग, और 52 डिग्री के झुकाव कोण।
  16. साथ मेंआयन बीम, पतली लगभग 200 एनएम के लिए नमूना 30.0 केवी के एक वोल्टेज और 0.5 एनए के एक व्यवस्थित ढंग से कम हो रही मौजूदा 0.3 एनए, और 0.1 ना इस्तेमाल करते हैं। इस स्तर पर, एक सफाई क्रॉस सेक्शन पैटर्न का इस्तेमाल किया जाता है और नमूना 52 ±± 1.5 डिग्री के कोण करने के लिए झुका हुआ है।
  17. आयन बीम के साथ, पतली नमूना 5.0 केवी के एक वोल्टेज और 77.0 देहात के एक वर्तमान का उपयोग कर पारदर्शिता इलेक्ट्रॉन करने के लिए। इस स्तर पर, एक आयत पैटर्न 52 ± 3 डिग्री के झुकाव कोण के साथ प्रयोग किया जाता है।
  18. 500 eV के एक वोल्टेज और 150 μA के एक वर्तमान में नमूना सफाई से मिथ्या से किए गए अनाकार नुकसान निकालें।
  19. स्कैनिंग संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (स्टेम) में मंदिर धारक और डालने धारक प्लेस में मंदिर का नमूना। चुनें 'कैद', छवि नमूना अनाज सीमा।

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Representative Results

संबंध तापमान, समय, और misorientation कोण सभी एसटू bicrystal (तालिका 1) की अधिकतम संभव बंधुआ इंटरफ़ेस अंश के लिए की जरूरत है इष्टतम मानकों का निर्धारण करने के लिए बदल रहे थे। इंटरफेस माना जाता था 'बंधुआ' जब अनाज सीमा SEM इमेजिंग (चित्रा 2A) के दौरान दिखाई नहीं था। एक 'गैर बंधुआ' इंटरफ़ेस प्रदर्शित किया गया था जब एक अंधेरे छवि के विपरीत या रिक्तियों सीमा स्थान (चित्रा 2 बी) पर उपस्थित थे। डार्क छवि के विपरीत कोलाइडयन ग्रेफाइट signified से मिथ्या बढ़ते प्रक्रिया दो एसटू केशिका प्रभाव के कारण क्रिस्टल के बीच दूर तक फैला हुआ था। इस गैर बंधुआ इंटरफेस, bicrystal के किनारों पर मनाया, जबकि बंधुआ इंटरफ़ेस bicrystal के केंद्र में मनाया जाता है। bicrystals एसपीएस तंत्र द्वारा गठित के केंद्र के किनारे से संबंध व्यवहार में परिवर्तन भी गर्म दबाने तकनीकों के माध्यम से गठन bicrystals में देखा जाता हैतों 6।

bicrystal के थोक में सूक्ष्म दरार गठन सभी नमूनों में मनाया जाता है। सफलतापूर्वक बंधुआ bicrystals के लिए, सूक्ष्म दरार गठन बंधुआ इंटरफेस के साथ हस्तक्षेप नहीं करता है। 1,200 डिग्री सेल्सियस के संबंध तापमान पर, व्यापक सूक्ष्म खुर होता है, annealing के दौरान bicrystal के भंगुर विफलता के लिए अग्रणी। इसलिए, एसपीएस तंत्र में संबंध तापमान आपत्तिजनक फ्रैक्चर को रोकने के लिए 800 डिग्री सेल्सियस से नीचे रखा गया था।

600 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर संबंध 0 डिग्री misorientation कोण और 700 डिग्री सेल्सियस के साथ bicrystals के लिए, एक 95% सफलतापूर्वक बंधुआ इंटरफ़ेस प्राप्त हुई थी। 44.4 डिग्री तक bicrystal की misorientation कोण में वृद्धि हुई है 800 डिग्री सेल्सियस और संबंधों में 90 मिनट का समय एक 45.8% सफलतापूर्वक बंधुआ इंटरफेस को प्राप्त करने का एक संबंध तापमान की आवश्यकता है। उच्च संकल्प मंदिर (HRTEM) और उच्च कोण कुंडलाकार अंधेरे क्षेत्रस्कैनिंग संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (HAADF स्टेम) इस नमूने के micrographs कोई intergranular फिल्म या माध्यमिक चरणों वर्तमान (चित्रा 3) के साथ एक atomically अचानक अनाज सीमा संरचना का पता चलता है। Spatially हल इलेक्ट्रॉन ऊर्जा नुकसान स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईल) इंटरफ़ेस से सीधे दर्ज तिवारी एल 3 और एल 2 किनारों के क्रिस्टल क्षेत्र बंटवारे के साथ ही ठीक किनारे तीव्रता में कमी में कमी से पता चलता है जब थोक की तुलना में (चित्रा 4) ।

Bicrystal ट्विस्ट अभिविन्यास (°) बॉन्ड तापमान (डिग्री सेल्सियस) बॉन्ड समय (मिनट) पानी रखना तापमान (डिग्री सेल्सियस) पानी रखना समय (ज) ± 0.3 बंधुआ इंटरफेस (%)
ए 0 * 1200 15 1,200 16 -
बी 0 600 90 1,200 100 92.3
सी 0 700 90 1,200 100 99.7
डी 4.3 ± 0.3 800 20 1,200 50 79.2
ए 45 * 700 60 1,200 140 1.3
एफ 46.1 ± 0.5 800 20 1,200 140 35.4
जी 44.4 ± 0.1 800 90 1,200 140 45.8

तालिका 1 संबंध पैरामीटर और Bicrystals के बाद इंटरफ़ेस अंश। एसपीएस तंत्रप्रसार संबंध मापदंडों और एसटू bicrystals के बाद बंधुआ इंटरफ़ेस अंशों। ~ 4 वी के एक स्पंदित पूर्वाग्रह वोल्टेज और ~ 550 ए के प्रत्यक्ष वर्तमान सभी प्रयोगों के लिए लागू किया जाता है। बंधुआ इंटरफ़ेस भिन्न (1.5 ± 0.4) मिमी औसत अनाज सीमा की लंबाई से गणना की गई। इन क्षेत्रों में bicrystal के भीतर अलग-अलग क्षेत्रों से ले जाया गया।

आकृति 1
चित्रा 1. चिंगारी प्लाज्मा Sintering उपकरण। चिंगारी प्लाज्मा sintering तंत्र के लिए सेट करें। दबाव bicrystal इंटरफेस के लिए सीधा आवेदन किया है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2. ठेठ इंटरफेस एसपीएस Ap में मिलाParatus गठित Bicrystals। नाममात्र 45 डिग्री मोड़ bicrystal 90 मिनट के लिए 800 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर गठन किया था। (क) में परिभाषित 'बंधुआ' इंटरफेस के SEM छवि, अनाज सीमा स्थान एक बहुपक्षीय शून्य की उपस्थिति, और परिभाषित 'गैर बंधुआ' इंटरफेस (ख) SEM छवि से अनुमान लगाया जाता है। गोलाकार छवियों में मनाया मोती चमकाने से अवशिष्ट सिलिका हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. Bicrystal अनाज सीमा के उच्च संकल्प इमेजिंग। नाममात्र 45 डिग्री मोड़ bicrystal एक किनारे पर इंटरफ़ेस विमान के लिए उन्मुखीकरण के साथ 90 मिनट <100> में दर्ज जोन अक्ष के लिए 800 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर गठित की सीमा। ( (ख) HRSTEM DF छवि, और (ग) संरचना मॉडल दो एकल क्रिस्टल, <100> में एक और एक में से बना <110> एक {001} इंटरफेस विमान के साथ क्षेत्र अक्ष उन्मुखीकरण। अनुमान संरचना मॉडल से प्रयोगात्मक इमेजिंग डेटा का विचलन आदर्श एकल क्रिस्टल परमाणु पदों की तुलना में अंतरफलक विन्यास के परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करते हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्रा 4. संरचना और Bicrystal की रसायन विज्ञान अनाज सीमा। (क) तिवारी एल 2,3 बढ़त और (ख) के ठीक किनारे सीमा पर ले जाया के किनारे ठीक संरचना और 800 के तापमान पर गठित 45 डिग्री मोड़ bicrystal के थोक के पास90 मिनट के लिए सें। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5
चित्रा 5. Bicrystal अनाज सीमा पर मिथ्या मिलिंग। आयन बीम को सीधा के आयन बीम और अनाज सीमा के साथ (ख) नमूने के लिए अनाज सीमा समानांतर के साथ (एक) नमूना मिथ्या मंदिर लामेल्ला की HRTEM छवियों। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

1,200 डिग्री सेल्सियस के तापमान संबंध प्रसार को अधिकतम करने के रूप में तापमान में छोटे परिवर्तन बहुत सारे प्रसार संबंध तंत्र के कैनेटीक्स को प्रभावित कर सकता चुना गया था। 1,200 डिग्री सेल्सियस के तापमान एसटू के भंगुर-नमनीय संक्रमण तापमान सीमा के बाहर है। हालांकि, नमूना इस तापमान पर भंगुर अस्थिभंग कराना पड़ा। एसटू bicrystal की भयावह विफलता नहीं अप्रत्याशित रूप एसटू है ~ 1,200 डिग्री सेल्सियस पर 0.5% लचीलापन था। इसके अलावा, नमूना गर्म करने की प्रक्रिया के दौरान 140 एमपीए के दबाव में आयोजित की गई थी और इस एसटू गर्म करने की प्रक्रिया है, जहां यह 0% लचीलापन 21 है के दौरान अपने भंगुर मंच के माध्यम से संक्रमण। एसपीएस तंत्र के माध्यम से एकल क्रिस्टल के इस प्रकार सफल प्रसार संबंध एक सामग्री के तापमान पर निर्भर प्लास्टिसिटी व्यवहार का एक में गहराई से समझ जरूरी है।

दो bicrystals 800 डिग्री सेल्सियस के तापमान संबंध और 20 मिनट के एक संबंध समय का उपयोग का गठन किया गया।4˚ की एक नाममात्र misorientation साथ bicrystal 50 घंटे के लिए annealed और एक बंधुआ इंटरफ़ेस अंश 45 डिग्री के नाममात्र misorientation साथ bicrystal, 140 घंटे के लिए annealed से अधिक 2.2x प्रदर्शित किया गया था। एनीलिंग बार 50 घंटे से अधिक समय के प्रसार संबंध गुणवत्ता के किसी भी महत्वपूर्ण सुधार का खुलासा नहीं किया। एनीलिंग तापमान और समय पिछले काम में जो bicrystals एक उच्च वैक्यूम भट्ठी, एसपीएस तंत्र 11 के लिए इसी तरह का गठन किया गया के अनुसार चयन किया गया था। पता लगाने के लिए अगर वहाँ इन bicrystals के प्रसार संबंधों पर annealing प्रक्रिया का एक प्रभाव था, प्रसार बंधन लंबाई की गणना की और 140 घंटे 23 के लिए 1,200 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर 0.27 एनएम होना पाया गया है। चुने गए annealing पैरामीटर, इसलिए, केवल bicrystal के प्रसार संबंधों पर सीमित प्रभाव पड़ा। इस विश्लेषण आगे समर्थित किया गया था जब एक 45 डिग्री मोड़ misorientation के साथ एक bicrystal के प्रसार संबंध नहीं थाannealing के दौरान उपयोग एक ही मापदंड के लिए सफल।

चुने गए annealing मानकों को काफी प्रसार संबंध प्रभावित नहीं किया है, जबकि misorientation कोण एक स्पष्ट प्रभाव है। उच्च कोण misorientation कोणों दो आधे क्रिस्टल के बीच अधिक से अधिक संरचनात्मक बेमेल है, जो पार प्रसार में अवरोध उत्पन्न होता है और इंटरफेस संबंध कम हो जाती है बनाएँ। उच्च misorientation कोण के लिए, संबंध तापमान और समय के क्रम में एक बड़ा सफलतापूर्वक बंधुआ इंटरफ़ेस अंश है में वृद्धि की जानी चाहिए।

एसपीएस प्रसंस्करण तकनीकों के माध्यम से Bicrystal गठन पारंपरिक गर्म प्रेस तरीकों की तुलना में काफी त्वरित बार तराजू और मध्यम तापमान पर्वतमाला पर होता है। पारंपरिक प्रसार संबंध और एसपीएस विधि के बीच प्रसंस्करण मानकों में यह अंतर भी पाउडर काम्पैक्ट और कंपोजिट के गठन में देखा जाता है। जैसा कि ऊपर कहा, पारंपरिक प्रसार संबंध विधियों के माध्यम से गठन bicrystalsगुना 3 से 20 घंटे 11, 24 से लेकर तराजू के साथ 1,400 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर बनते हैं। एक एसपीएस साधन का प्रयोग, प्रसार संबंध बार 20 से 90 मिनट से लेकर तराजू के साथ 800 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर होता है। एसपीएस तकनीक तो पारंपरिक तरीकों की तुलना में bicrystals का तेजी से प्रसार के संबंधों के लिए उपयोगी है। एसपीएस साधन द्वारा Bicrystal गठन भी एक चयनित misorientation के साथ एक अनाज सीमा पर बड़े पैमाने पर स्थानांतरण तंत्र की प्रयोगात्मक अवलोकन के लिए अनुमति देता है। इस प्रयोगात्मक अवलोकन तंत्र एसपीएस तकनीक को मजबूती में और अधिक जानकारी प्रदान करेगा।

थोक एसटू bicrystal में सूक्ष्म दरारें पारंपरिक यांत्रिक मंदिर लामेल्ला तैयारी रोका। यांत्रिक thinning प्रक्रिया थोक भर में फैल सूक्ष्म दरारें के कारण मंदिर लामेल्ला के फ्रैक्चर का नेतृत्व किया। इसलिए, मंदिर लामेल्ला की मिथ्या तैयारी इस्तेमाल किया गया था। परम्परागत मिथ्या एललामेल्ला, जिसमें अनाज सीमा आयन बीम के समानांतर है की IFT-बाहर, इंटरफ़ेस विमान (चित्रा 5 ए) के साथ तरजीही मिलिंग के लिए नेतृत्व किया। मिथ्या तैयारी तकनीक बाद में संशोधित किया गया था। सबसे पहले, कार्बन और टंगस्टन की प्रारंभिक सुरक्षात्मक परत की मोटाई लिफ्ट से बाहर कदम के अंत में इसलिए चुना गया था, सुरक्षात्मक परत दूर milled किया गया था। तो सुरक्षात्मक परत भी मोटी थी और पतले होने की प्रक्रिया के दौरान बने रहे, टंगस्टन का फिर से बयान हुआ और मंदिर विश्लेषण छिपा हुआ है। दूसरे, के बाद मंदिर लामेल्ला micromanipulator की नोक से जुड़ा था, micromanipulator 180 डिग्री तक घुमाया गया था। यह रोटेशन की वजह से अनाज सीमा आयन बीम को सीधा बनने के लिए है, इसलिए तरजीही पतले होने को रोकने के (चित्रा 5 ब)। अन्त में, लिफ्ट-बाहर की प्रक्रिया के बाद, कार्बन और टंगस्टन की सुरक्षा परतों नव उन्मुख मंदिर लामेल्ला की सतह पर जमा थे। पारंपरिक मिथ्या जनसंपर्क करने के लिए इन संशोधनोंeparation तकनीक एक साफ मंदिर लामेल्ला HAADF स्टेम द्वारा atomically संकल्प इमेजिंग सक्षम करने के लिए नेतृत्व किया।

bicrystal एक मामूली 45 डिग्री मोड़ अनाज सीमा के साथ 90 मिनट के लिए 800 डिग्री सेल्सियस पर बंधुआ लिए HRTEM और HAADF स्टेम micrographs कोई माध्यमिक चरणों के साथ एक atomically सुलझाया अनाज सीमा संरचना दिखाने के लिए। Spatially हल ईल अनाज सीमा के भीतर कोर तिवारी समन्वय में परिवर्तन पता चलता है, थोक की तुलना में ऑक्सीजन रिक्ति एकाग्रता में वृद्धि का संकेत है। इन परिणामों कम कोण मोड़ अनाज की सीमाओं 25 के लिए साहित्य में रिपोर्ट के साथ संगत कर रहे हैं। इन प्रयोगों के आगे के विश्लेषण से कहीं और 26 में वर्णित है।

इस अध्ययन में, एसटू bicrystals सफलतापूर्वक पहली बार एक एसपीएस तंत्र प्रयोग करने के लिए संश्लेषित थे। 0 डिग्री के मोड़ झुकाव, 4 डिग्री, 45 डिग्री और मध्यम संबंध तापमान और समय के साथ उच्च दबाव में गठन किया गया साथ Bicrystalsतराजू उन मापदंडों के पारंपरिक संबंधों में पाया की तुलना में। एसपीएस तंत्र के माध्यम से bicrystals का गठन मात्रात्मक चुने गए अनाज सीमा कोर संरचनाओं पर बिजली के क्षेत्र के प्रभाव के रूप में अच्छी तरह से हीटिंग दर निर्धारित करने के लिए एक अवसर प्रदान करता है।

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Acknowledgments

एलएच कृतज्ञता यूसी डेविस में अनुदान सं 1148897. इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी लक्षण और एसपीएस प्रसंस्करण के तहत एक अमेरिका के राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन ग्रेजुएट रिसर्च फैलोशिप द्वारा वित्तीय समर्थन मानता है आर्थिक रूप से एक कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय की प्रयोगशाला शुल्क पुरस्कार द्वारा समर्थित किया गया (# 12-LR-238313)। आण्विक फाउंड्री में काम अनुबंध सं डे-AC02-05CH11231 के तहत अमेरिका के ऊर्जा विभाग के विज्ञान, मूल ऊर्जा विज्ञान के कार्यालय के कार्यालय द्वारा समर्थित किया गया था।

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 

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References

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इंजीनियरिंग अंक 120 अनाज सीमा bicrystal बिजली के क्षेत्र चिंगारी प्लाज्मा sintering स्ट्रोंटियम titanate स्कैनिंग संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी
चिंगारी प्लाज्मा Sintering उपकरण स्ट्रोंटियम titanate Bicrystals के गठन के लिए प्रयुक्त
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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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