Waiting
Login processing...

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

Engineering

Spark Plasma Sintring apparatet som brukes for dannelsen av strontium titanate Bicrystals

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

Introduction

Tennplasmasintring (SPS) er en teknikk der anvendelse av høy enakset trykk og pulserende likestrøm fører til hurtig fortetning av pulveret kompakterer 1. Denne teknikk fører også til en vellykket dannelse av sammensatte strukturer av forskjellige materialer, blant silisiumnitrid / silisiumkarbid, zirkoniumborid / silisiumkarbid, eller silisiumkarbid, med ingen ytterligere sintringshjelpemidler som kreves to, tre, fire, fem. Syntesen av disse sammensatte strukturer ved konvensjonelle varm-presse, var blitt utfordret i fortiden. Selv om anvendelse av et høyt enakset trykk og rask oppvarmingshastighet via SPS teknikk forbedrer konsolidering av pulver og kompositter, det fenomen som forårsaker denne forbedrede fortetting diskutert i litteraturen, 2, 3,class = "xref"> 6, 7. Det eksisterer også bare begrenset informasjon angående påvirkning av elektriske felter på korngrensedannelse og de resulterende atomstruktur i korngrense kjerner 8, 9. Disse kjernestrukturer bestemme de funksjonelle egenskaper til SPS sintrede materialer, inkludert elektrisk nedbrytning av høyspente kondensatorer og den mekaniske styrke og seighet av keramiske oksider 10. Derfor forstå den grunnleggende korngrense struktur som en funksjon av SPS prosessparametere, slik som tilførte strøm, som er nødvendig for manipulering av et materiale totale fysiske egenskaper. En metode for å systematisk belyse de grunnleggende fysiske mekanismene som ligger til grunn SPS er dannelsen av spesifikke korn grensen strukturer, dvs. bicrystals. En bicrystal er skapt ved manipulering av to enkelt-krystaller, som deretter diffusion limt med spesifikke feilorientering vinkler 11. Denne metoden gir en kontrollert måte for å undersøke de grunnleggende korn grensen kjernestrukturer som en funksjon av prosessparametre, dopemiddelkonsentrasjon, og urenhet segregering 12, 13, 14.

Diffusjonsbinding er avhengig av fire parametere: temperatur, tid, trykk, og binding atmosfære 15. Konvensjonell diffusjonsbinding av strontium titanat (SrTiO 3, STO) bicrystals oppstår vanligvis ved et trykk under 1 MPa, innenfor et temperaturområde på 1,400-1,500 ° C, og tidsskalaer i området fra 3 til 20 timer 13, 14, 16, 17. I denne studien er bonding i en SPS apparat oppnås ved betydelig lavere temperatur og tidsskalaer i comparison til konvensjonelle metoder. For polykrystallinske materialer, redusert temperatur og tidsskalaer via SPS betydelig begrenser kornvekst, og dermed gi en fordel kontroll over en materialets egenskaper gjennom manipulering av sin mikrostruktur.

SPS apparat, for et 5 x 5 mm 2 prøve, utøver et trykk på minimum 140 MPa. Innenfor den konvensjonelle diffusjonsbinding temperaturområde, Hutt et al. rapportere momentant brudd i STO når bonding trykket overstiger 10 MPa 18. Men viser STO temperaturavhengig plastisitet atferd som indikerer pressetrykk kan overstige 10 MPa ved bestemte temperaturer. Over 1200 ° C og under 700 ° C, oppviser STO viss duktilitet, ved hvilket understreker er større enn 120 MPa kan påføres uten momentant brudd i prøven. I det mellomliggende temperaturområde på 700-1,200 ° C, er STO sprø og erfaringer momentant brudd på slokker som er større enn 10 MPa. Ved 800 ° C, har STO liten deformerbarhet før frakturering ved spenninger mindre enn 200 MPa 19, 20, 21. Derfor må bindetemperaturer for STO bicrystal formasjon via SPS anordningen velges i henhold til den plastisitet oppførselen til materialet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Prøvepreparering av én krystall strontium titanate

MERK: Single krystall STO leveres med en (100) overflate polert til en speil finish.

  1. § STO til 5x5 mm 2 brikker bruker diamantwire så.
  2. Ultralyd rene prøver på 50-60 Hz fortløpende i bad av aceton, isopropanol, og metanol for femten minutter hver.
  3. Fjern STO fra metanol-bad til umiddelbart å sette på en varm plate holdt ved en temperatur på 200 ° C. Oppvarming av prøven etter rengjøring forhindrer dannelsen av fordampning spotting fra alkoholen.
  4. Plasser prøvene i ti minutter i bufret fluss-syre (pH = 4), en 6: 1 oppløsning av ammoniumfluorid og 49% flussyre. 22 Denne løsningen etser STO, danner en overveiende (100) TiO 2 avsluttet overflaten. Hvis det optisk flate siden av én krystall har en regnbue patina, har utvalget vært over-etset og bør not anvendes.
  5. Etter ti minutter i etseløsningen, skyll prøver i deionisert (DI) vann og deretter i isopropanol. Tørk bruker rent hus luft.

2. Bicrystal Dannelse via Spark Plasma Sintring Apparatus

MERK: For 5x5 mm 2 krystall bruk en 30 mm diameter grafitt dø. Hvis en dyse med en diameter som er mindre enn 30 mm er brukt, den bicrystal frakturer katastrofalt ved liming. Optimal dø størrelse, så vel som trykket som utøves av SPS anordningen er svært avhengig av størrelsen av krystallene.

  1. Plassere et 30 mm sirkel av grafittpapir på en grafitt plunger med en diameter på 30 mm. Grafitt papir hindrer STO fra binding til grafitt stempelet under forsøket.
  2. Stable to 5x5 mm 2 STO enkrystaller med sine optiske flater plassert vendt innover for å danne bicrystal grensen. Sentrer stabelen på toppen av grafitt papir og stempel.
  3. Roter toppen enkelt gråtestal rundt <100> aksen til en valgt feilorientering vinkel. Den <100> akse er vinkelrett på den optiske flate overflaten av krystallen.
  4. Skyv grafitt mold over stempelet og krystaller. Sett en annen 30 mm diameter sirkel av grafitt papir og deretter stempelet diameter 30 mm i løpet av de stablet STO krystaller.
  5. Stable kombinerte stempler og dø på grafittavstandsstykkene i SPS apparat (figur 1).
  6. Påfør en uniaksial kraft av 3 kN å minimere kontakt motstand ved hjelp av kontrollknappene z-aksen. Gjennom hele forsøket, må brukeren holde kraften på 3 kN via Z-aksekontrollknapper.
  7. Sett k-type termoelement inn i grafitt dysen ved det lille hullet, vist i figur 1. Termoelementet strekker seg gjennom dysen til prøven.
  8. Still kammertrykk på SPS anordningen til ~ 10 Pa ved hjelp av vakuum-trykk-knapper.
  9. Velg bond temperatur, tid, og oppvarmingshastigheter via programmet instrument control programvare (tabell 1). For liming temperatur og tid ved å bruke en oppvarmingshastighet på 70-80 ° C / min og en avkjølingshastighet på 50 ° C / min.
  10. Sett 12 s på, 2 s av DC puls ved hjelp av instrumentet sintring knappen. En pulset skjevhet av ~ 4 V og likestrøm på ~ 550 A blir tilført inkrementelt til prøven når programmet er satt til å kjøre.
  11. Trykk på startknappen på maskinen.
  12. Fjern prøven når programmet avsluttes. Etter bicrystal formasjon, blir prøven synes grå-svart på grunn av den reduserende miljø av SPS anordningen.
  13. Bruk høy temperatur ovn ved en temperatur på 1200 ° C i 140 timer, gjelder ikke noe trykk i løpet av denne prosedyren, for å binde og å re-oksidere prøven i luft. Annealing parametre ble valgt i henhold til tidligere arbeid utført av Hutt et al. hvor bicrystals dannes i høyt vakuum 13. Etter gløding, viser prøven et hvitaktig farge og er oksidert.

  1. Tverrsnitt bicrystal med diamantwire så inn 5x1 mm 2 seksjoner.
  2. Polske tverrsnitt prøver med diamant lapping film. Den kornstørrelse på diamanten lapping filmen blir gradvis redusert fra 9 um til 0,1 um. Bytt til mindre kornstørrelse når riper er uniform over overflaten. Bruk en motsols platen bevegelse for 9 pm til 6 pm lapping film. Bruk en mot klokka platen bevegelse med en oscillerende prøve hode for 6 pm til 0,1 mikrometer lapping film.
  3. Polske tverrsnitt prøver med kolloidalt silika i to minutter ved hjelp av en matte klut. Kontinuerlig hell kolloidal silika på matten med mot klokken platen bevegelse og oscillerende prøve hodet.
  4. Femten sekunder før du tar prøven, må du slutte å helle kolloidal silika og hell DI vann på platen. Hell DI vann i femten sekunder, ta prøven, og straks skylle prøvei DI-vann i 1 min. Hvis denne fremgangsmåte ikke følges, vil det kolloidale silica binde prøvens overflate og tilsløre det korngrense under skanning elektronmikroskopi (SEM).
  5. Når prøven er polert til en optisk glatt overflate, ved hjelp av ultralyd rene prøver etter hverandre i bad av aceton, isopropanol og metanol i femten minutter hver.
  6. Fjern STO fra metanol-bad til umiddelbart å sette på en varm plate holdt ved en temperatur på 200 ° C. Oppvarming av prøven etter rengjøring forhindrer dannelsen av fordampning spotting fra alkoholen.
  7. Mount prøven polert overflate opp på en prøve stump bruker kolloidalt grafitt.
  8. Frese frakk prøveoverflaten med 2-3 nm av karbon. Bruk følgende parametere for karbonbeleggeren: en puls oppløsning på 0,2 nm / puls, nåværende tråkkfrekvens på 0,2 A / puls, puls strøm på 40 A, pulslengde på 2 s, og maksimal pulser av 50.

4. Rengjøring av FIB Copper Grid

  1. Plasser kobber FIB gitter i et aceton og deretter isopropanol-bad i 1 time hver.
  2. Plasma rent kobber FIB rutenett for 10 min.

5. Utarbeidelse av transmisjonselektronmikroskopi (TEM) lamell via Fokusert Ion Beam (FIB) Apparatus

MERK: Alle parametre som brukes i FIB forberedelse er skrevet eller velges fra en rullegardinmeny i FIB apparat programvare.

  1. Plasser STO prøven og kobber FIB nettet i FIB apparat. Scenen er 7 mm.
  2. Finne et område av interesse langs grenseflaten mellom de to enkeltkrystaller, det vil si korngrensen.
  3. Velg Mønstring dialogboksen. I Mønster Control, velg rektangel Mønstring Tool med søknaden eiendom Ce-dep overflaten. Sett C-dep for gassinjeksjon. Gjør et innskudd på 15 × 2 × 2 mikrometer tre beskyttende lag av cArbon ved hjelp av elektronstråle ved en spenning på 5,0 kV, en strøm på 13,0 nA, og en hellingsvinkel på 0 °. Trekk C-dep.
  4. Velg Mønstring dialogboksen. I Mønster Control, velg rektangel Mønstring Tool med søknaden eiendom W-dep. Sett W-dep for gassinjeksjon. Innskudd 15 x 2 x 2 um tre beskyttende lag av wolfram ved hjelp av ionestrålen ved en spenning på 30,0 kV, en strøm av 0,3 nA, og en hellingsvinkel på 52 °. Trekk W-dep.
  5. Velg Mønstring dialogboksen. I Mønster Control, velger du Vanlig Tverrsnitt Mønstring Tool med søknad eiendom Si. Bruk 22 x 25 x 15 mikrometer 3 for bunnmønsteret og av 22 x 27 x 15 mikrometer 3 for topp mønster ved en spenning på 30,0 kV, en strøm av 30,0 nA, og en hellingsvinkel på 52 ° via ionestrålen. Mønsteret vil skape en grøft mølle på begge sider av det beskyttende lag.
  6. Velg Mønstring dialogboksen. I Mønster Control, velg CleanTverrsnitt Mønstring Tool med søknad eiendom Si. Bruk 22 x 3 x 60 mikrometer 3 for den øverste og nederste mønster ved en spenning på 30,0 kV og en strøm på 1,0 nA via ionestrålen. Vinkelen er 53,5 ° for bunnmønsteret og 50,5 ° for toppen mønster. Mønsteret renser overflaten av det utgravde lamellen fra den curtaining mønsteret som er resultatet av den vanlige tverrsnitt mønster.
  7. Skjær et J-mønster i prøven med rektangel Mønstring verktøyet med søknad eiendom Si. Bruk 2 mikrometer for bredden ved en spenning på 30,0 kV og en strøm på 1,0 nA via ionestrålen.
  8. Velg Easy Lift dialogboksen. Sett mikromanipluatoren til parkeringsposisjon. Senk micromanipulator og fest prøven til kobber FIB nettet via en tungsten sveis ved hjelp av prosessen beskrevet i 5.4.
  9. Ved hjelp av fremgangsmåten som er beskrevet i 5.7, μcut en U-mønster, og fortsetter fra den opprinnelige J-mønster, i prøven ved hjelp av ionestrålen ved en spenning30,0 kV og en strøm på 1,0 nA.
  10. Løft lamellen via mikromanipluatoren over samleprøven.
  11. Rotere mikromanipluatoren 180 °, slik at korngrense ikke lenger er parallell med ionestråle, men vinkelrett til ionestrålen.
  12. Wolfram sveise lamellen til en kobber FIB gitter ved hjelp av fremgangsmåten som er beskrevet i 5,4 med ionestrålen ved en spenning på 30,0 kV og en strøm på 0,3 nA.
  13. Skjær mikromanipluatoren fra lamellen ved hjelp av fremgangsmåten beskrevet i 5.7 med ion stråle med en spenning på 30,0 kV og en strøm på 1,0 nA.
  14. Gjenta fremgangsmåten beskrevet i 5.3. Avsette en 15 x 2 x 4 um tre beskyttende lag av karbon ved hjelp av en elektronstråle med en spenning på 5,0 kV, en strøm på 13,0 nA, og en hellingsvinkel på 0 °.
  15. Gjenta fremgangsmåten beskrevet i 5.4. Innskudd 15 x 2 x 8 um tre beskyttende lag av wolfram ved hjelp av en ionestråle ved en spenning på 30,0 kV, en strøm av 0,3 nA, og en hellingsvinkel på 52 °.
  16. Medionestrålen, fortynne prøven til ca. 200 nm ved anvendelse av en spenning på 30,0 kV og en systematisk avtagende strøm på 0,5 nA, nA 0,3, og 0,1 nA. Ved dette trinn blir en rense tverrsnitt mønster som skal brukes, og prøven blir vippet til en vinkel på 52 ±± 1,5 °.
  17. Med ionestrålen, for å fortynne prøven elektron gjennomsiktighet ved anvendelse av en spenning på 5,0 kV og en strøm på 77,0 pA. På dette trinn blir et rektangel mønster som brukes sammen med en helningsvinkel på 52 ± 3 °.
  18. Fjern amorf skader pådratt fra FIB ved å rense prøven ved en spenning på 500 eV og en strøm på 150 uA.
  19. Place TEM prøven i TEM holderen og skiveholderen i scanning transmisjonselektronmikroskop (STEM). Velg "Capture", image sample korn grense.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bonding temperatur, tid, og feilorientering vinkel var endret for å bestemme optimale parametre som behøves for størst mulig bundet grensesnitt brøkdel av STO bicrystal (tabell 1). Grensesnittet ble ansett "limt" når korn grensen var ikke synlig under SEM imaging (figur 2a). En "non-limt 'grensesnitt ble utstilt når et mørkt bilde kontrast eller tomrom var til stede på grensen plassering (figur 2b). Mørkt bilde kontrast tilkjenne kolloidalt grafitt fra FIB monteringsprosedyren hadde spredt mellom de to STO krystaller på grunn av kapillær virkning. Denne ikke-bundet grensesnitt er observert ved kantene av bicrystal, mens det bundede grensesnittet er observert på midten av bicrystal. Endringen i binding oppførsel fra kanten til midten av bicrystals dannet av SPS apparat er også sett i bicrystals dannet via varmpressing teknikk;es 6.

Mikro-sprekkdannelse i massen av bicrystal er observert i alle prøver. For vellykket limt bicrystals, betyr mikrosprekkdannelse ikke forstyrre limt grensesnitt. Ved en bindingstemperatur på 1200 ° C, forekommer omfattende mikro-sprekkdannelse, som fører til sprøbrudd av bicrystal under gløding. Derfor ble liming temperatur i SPS anordningen holdes under 800 ° C for å hindre katastrofale brudd.

For bicrystals med 0 ° feilorientering vinkel ved liming av temperaturer på 600 ° C og 700 ° C, ble en 95% med hell bundet grensesnitt erholdt. En økning i feilorientering vinkelen på bicrystal til 44,4 ° krever en bindingstemperatur på 800 ° C og bånd tid på 90 minutter for å oppnå en 45,8% med hell bundet grensesnitt. Høy oppløsning TEM (HRTEM) og høy vinkel ringformet mørke feltetscanning transmisjonselektronmikroskopi (STEM-HAADF) mikrografer av denne prøve viser en atomisk brå korngrensestruktur uten intergranulær film eller sekundære faser til stede (figur 3). Romlig løst elektronenergitapet spektroskopi (EELS) registreres direkte fra grensesnittet viser en reduksjon i krystallfeltet splitting av Ti L-3 og L-2 kanter, så vel som en reduksjon i den OK kant intensitet i forhold til den samlede mengde (figur 4) .

Bicrystal Twist Orientering (°) Bond Temperatur (° C) Bond Tid (min) Gløding Temperatur (° C) Anneal Tid (h) Limt Interface ± 0,3 (%)
EN 0 * 1200 15 1200 16 -
B 0 600 90 1200 100 92,3
C 0 700 90 1200 100 99,7
D 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

Tabell 1. Bonding Parametere og påfølgende Interface Fraction of Bicrystals. SPS apparatdiffusjonsbindeprosessen parametere og påfølgende limt grensesnitt fraksjoner av STO bicrystals. En pulset forspenning av ~ 4 V og likestrøm på 550 A ~ er anvendt for alle forsøk. Bundet grensesnitt fraksjoner ble beregnet ut fra en midlere korngrenselengde (1,5 ± 0,4) mm. Disse områdene ble tatt fra forskjellige områder i bicrystal.

Figur 1
Figur 1. Spark Plasma Sintring Apparatus. Sett opp for tenn plasma sintring apparat. Trykk utøves perpendikulært på bicrystal grensesnittet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Typiske grensesnitt Funnet i SPS ApParatus Dannet Bicrystals. Nominell 45 ° vridning bicrystal dannet ved en temperatur på 800 ° C i 90 minutter. (A) SEM-bilde av definerte "bundet" grensesnitt, er korngrense plassering utledet ved tilstedeværelsen av et kantet hulrom, og (b) SEM-bilde av det definerte "ikke-bundet" grensesnitt. Sfæriske perler observert i bildene er rest silika fra polering. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. High Resolution Imaging av Bicrystal Grain Boundary. Grense av nominell 45 ° vridning bicrystal dannet ved en temperatur på 800 ° C i 90 minutter tatt opp i <100> sone akse med en kant-mot Retning for grensesnittet flyet. ( (b) HRSTEM DF bilde, og (c) struktur modell sammensatt av to enkeltkrystaller, en i <100> og en i <110> sone akseretning med en {001} grensesnitt plan. Avvik fra de eksperimentelle bildedataene fra den forventede struktur modellen representerer endringer av grensesnittet konfigurasjon i forhold til den ideelle enkelt-krystall atomposisjoner. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Struktur og Kjemi til Bicrystal Grain Boundary. Nær kanten finstrukturen av (a) Ti-L 2,3 kant og (b) den OK kant tatt ved grensen og hoveddelen av 45 ° vridning bicrystal dannet ved en temperatur på 800° C i 90 minutter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. FIB Fresing på Bicrystal korn grense. HRTEM bilder av FIB TEM lamellen av (a) prøven med korngrense parallelt ionestrålen og (b) prøven med korngrensevinkelrett til ionestrålen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bindingen temperatur på 1200 ° C ble valgt for å maksimal diffusjon som små endringer i temperaturen kan i stor grad påvirke kinetikken for alle diffusjonsbinding mekanismer. En temperatur på 1200 ° C er utenfor den sprø-duktile overgangstemperaturområdet for STO. Men prøven gikk sprøbrudd ved denne temperatur. Den katastrofal svikt i STO bicrystal var ikke uventet som STO har ~ 0,5% duktilitet ved 1200 ° C. Dessuten ble prøven holdt ved et trykk på 140 MPa i hele oppvarmingsprosessen og STO overganger gjennom sin sprø tidspunkt under denne oppvarmingsprosessen hvor den har 0% duktilitet 21. Dermed vellykket diffusjon liming av enkrystaller via SPS apparat nødvendig en grundig forståelse av temperaturavhengig plastisitet oppførsel av et materiale.

To bicrystals ble dannet ved anvendelse av en bindingstemperatur på 800 ° C og et bånd tid på 20 minutter. Debicrystal med en nominell feilorientering av 4˚ ble herdet i 50 timer og viste limt grensesnitt brøkdel 2,2x større enn bicrystal med nominell feilorientering på 45 °, glødet i 140 timer. Annealing ganger lengre enn 50 timer viste ingen signifikant forbedring av diffusjonsbindeprosessen kvalitet. Glødetemperatur og tid ble valgt i henhold til tidligere arbeid hvori bicrystals ble dannet i et høyt vakuum ovn, i likhet med SPS anordningen 11. For å fastslå om det var en effekt av at annealing prosessen på diffusjonsbinding av disse bicrystals, ble diffusjonen bindingsavstander beregnet og funnet å være 0,27 nm ved en temperatur på 1200 ° C i 140 timer 23. De valgte annealing parametere derfor bare hatt begrenset effekt på spredningen liming av bicrystal. Denne analysen ble også støttet når diffusjonsbindeprosessen av en bicrystal med en 45 ° vri feilorientering var ikkevellykket for de samme parametrene som benyttes under gløding.

Mens de valgte annealing parametre ikke signifikant påvirke diffusjonsbindeprosessen, ikke feilorientering vinkelen har en tydelig effekt. Høy vinkel feilorientering vinkler skape en større strukturell mistilpasning mellom de to halv-krystaller, noe som hindrer kryss diffusjon og minsker grensesnitt binding. Ved høye feilorientering vinkler, må binde temperatur og tid økes for å få et større hell bundet grensesnitt fraksjon.

Bicrystal formasjon via SPS behandlingsteknikker skjer på betydelig akselerert ganger skalaer og moderate temperaturområder sammenlignet med konvensjonelle varme pressemetoder. Denne forskjellen i prosessparametere mellom konvensjonell diffusjonsbinding og SPS-metoden er også sees i dannelsen av pulver komprimerer og kompositter. Som nevnt ovenfor, bicrystals dannet via konvensjonelle metoder for diffusjonsbindingdannes ved temperaturer over 1400 ° C med tider skalaer fra 3 til 20 timer, 11 24. Ved hjelp av en SPS instrument, oppstår diffusjonsbinding ved en temperatur på 800 ° C med tider skalaer fra 20 til 90 minutter. SPS teknikk er da nyttig for rask diffusjonsbinding av bicrystals sammenlignet med konvensjonelle metoder. Bicrystal dannelsen av SPS-instrumentet gjør det også mulig for eksperimentelle observasjon av masseoverføringsmekanismer ved en korngrense med en valgt feilorientering. Dette eksperimentell observasjon vil gi mer innsikt i mekanismene som ligger til grunn SPS teknikk.

Mikrosprekker i bulk STO bicrystal forhindret konvensjonell mekanisk TEM lamell forberedelse. Den mekaniske tynning prosessen førte til brudd i TEM lamellen på grunn av mikrosprekker sprer seg over hele bulk. Derfor ble FIB fremstilling av TEM lamellen anvendes. Konvensjonell FIB lIFT-ut av lamellen, hvor korngrense er parallell med ionestrålen, førte til preferensiell fresing langs grenseflaten planet (figur 5a). FIB forberedelse teknikken ble senere endret. Først ble tykkelsen av det første beskyttende lag av carbon og wolfram valgt så, ved slutten av løfte ut trinn, ble den beskyttende lag freses bort. Dersom det beskyttende lag var for tykke og holdt seg gjennom hele prosessen tynning, re-avsetning av wolfram oppstått, og skjules TEM-analyse. For det andre, etter at TEM lamellen er festet til spissen av mikromanipluatoren, ble mikromanipluatoren rotert 180 °. Denne rotasjonen forårsaket at korngrense til å bli vinkelrett på ionestrålen, dermed hindrer fortrinnsrett fortynning (figur 5b). Til slutt, etter at heisen-prosess, beskyttende lag av carbon og wolfram ble avsatt på overflaten av det nylig orientert TEM lamell. Disse modifikasjoner av den konvensjonelle FIB preparation teknikk førte til en ren TEM lamell muliggjør atomically Resolution Imaging av HAADF-STEM.

HRTEM og HAADF-STEM mikrobilder for bicrystal bundet ved 800 ° C i 90 minutter med en nominell 45 ° vridning korngrense viser en atomisk løst korngrensestruktur med ingen sekundære faser. Romlig løst EELS avdekke endringer i Ti koordineringen innenfor korngrense kjernene, noe som indikerer en økning i oksygenkonsentrasjonen stilling i forhold til den samlede mengde. Disse resultatene er i samsvar med rapporter i litteraturen for lav vinkel vri korngrensene 25. Videre analyse av disse eksperimentene er beskrevet andre steder 26.

I denne studien ble STO bicrystals hell syntetisert for første gang ved hjelp av en SPS apparat. Bicrystals med twist orienteringer av 0 °, 4 ° og 45 ° ble dannet ved høyt trykk med moderate bindings temperaturer og tidsskalaer sammenlignet med de parametre som finnes i konvensjonelle binding. Dannelse av bicrystals via SPS apparat gir en mulighet til å kvantitativt bestemme effekten av elektriske felt samt oppvarming hastighet på utvalgte korngrensekjernestrukturer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

LH erkjenner takknemlig økonomisk støtte av en US National Science Foundation Graduate Research Fellowship i henhold Grant No. 1148897. Elektronmikroskopi karakterisering og SPS behandling ved UC Davis ble finansielt støttet av en University of California Laboratory Fee award (# 12-LR-238313). Arbeid på Molecular Foundry ble støttet av Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, av US Department of Energy under kontrakt 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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Dupeux, M. Production of Oriented Two-Phase Bicrystals by Diffusion Bonding Technique. J. Cryst. Growth. 66, 169-178 (1984).
  7. Castro, R., van Benthem, K. Sintering: mechanisms of convention nanodensification and field assisted processes. 35, Springer Science & Business Media. (2012).
  8. Byeon, S. C., Hong, K. S. Electric field assisted bonding of ceramics. Mater. Sci. Eng. A. 287 (2), 159-170 (2000).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Ikuhara, Y. Grain Boundary and Interface Structures in Ceramics. J. Ceram. Soc. Jpn. 109 (7), S110-S120 (2001).
  13. Hutt, S., Kienzle, O., Ernst, F., Ruhle, M. Processing and Structure of Grain boundaries in Strontium Titanate. Z. Metallkd. 92 (2), 105-109 (2001).
  14. 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).
  15. Hill, A., Wallach, E. R. Modelling Solid State Diffusion Bonding. Acta Metall. 37 (9), 2425-2437 (1989).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Hutt, S. Doctoral Thesis. , University of Stuttgart. (2002).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Rhodes, W. H., Kingery, W. D. Dislocation Dependence of Cationic Diffusion in SrTiO3. J. Amer. Ceram. Soc. 49 (10), 521-526 (1966).
  24. Yamamoto, T., Hayashi, K., Ikuhara, Y., Sakuma, T. Grain Boundary Structure and Electrical Properties in Nb-Doped SrTiO3 Bicrystals. Key Eng. Mater. 181-182, 225-230 (2000).
  25. 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).
  26. Hughes, L. A., van Benthem, K. Formation of SrTiO3 bicrystals using spark plasma sintering techniques. Scr. Mater. 118, 9-12 (2016).

Tags

Engineering korn grense bicrystal elektrisk felt gnist plasma sintring strontium titanate skanning transmisjonselektronmikroskopi
Spark Plasma Sintring apparatet som brukes for dannelsen av strontium titanate Bicrystals
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hughes, L. A., van Benthem, K. Spark … More

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).

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