Introduction
Искровой плазме спекание (SPS) представляет собой метод , в котором применение высоких одноосного давления и импульсного постоянного тока приводит к быстрому уплотнению прессованные заготовки 1. Этот метод также приводит к успешному формированию композитных структур из различных материалов, в том числе нитрида кремния / карбид кремния, циркония , борид / карбид кремния, или карбида кремния, без дополнительных спекающие добавки не требуется 2, 3, 4, 5. Синтез этих композитных структур с помощью обычного горячего прессования было сложным в прошлом. В то время как применение высокой одноосного давления и быстрой скоростью нагрева с помощью метода SPS усиливает консолидацию порошков и композиционных материалов , явление , послужившее причиной этого повышенную уплотнению обсуждаемый в литературе 2, 3,класс = "Xref"> 6, 7. Там также существует лишь ограниченный объем информации о влиянии электрических полей на формирование границ зерен и в результате атомных структур зернограничные ядер 8, 9. Эти основные структуры определяют функциональные свойства SPS спеченных материалов, в том числе электрического пробоя высококачественных конденсаторов напряжения и механической прочности и вязкости керамических оксидов 10. Таким образом, понимание фундаментальной структуры границ зерен в зависимости от параметров обработки SPS, например, приложенный ток, который необходим для манипулирования общих физических свойств материала, в. Один из методов систематического выяснения фундаментальных физических механизмов , лежащих в основе SPS является формирование конкретных зернограничные структур, то есть бикристаллов. Бикристалла создается путем манипулирования двух монокристаллов, которые затем diffuSion связаны с конкретными углами разориентации 11. Этот метод обеспечивает контролируемый способ исследования фундаментальных границ зерен основные структуры как функции параметров обработки, концентрации легирующей примеси, а также сегрегации примесей 12, 13, 14.
Диффузия связывание зависит от четырех параметров: температура, время, давление, и связующий атмосфере 15. Обычные диффузионной сварки титаната стронция (SrTiO 3, STO) бикристаллах обычно происходит при давлении ниже 1 МПа, при температуре в пределах от 1,400-1,500 ° C, и шкалы времени в диапазоне от 3 до 20 часов , 13, 14, 16, 17. В этом исследовании, склеивание в аппарате SPS достигается при значительно более низких температурных и временных шкал в Comparison с обычными способами. Для поликристаллических материалов, снижение температуры и временных масштабах с помощью SPS значительно ограничивает рост зерна, тем самым обеспечивая выгодное контроль свойств материала путем манипулирования его микроструктуры.
Устройство SPS, для образца 5 × 5 мм 2, оказывает минимальное давление 140 МПа. В обычном температурном диапазоне диффузионной сварки, Hutt и др. сообщить мгновенное разрушение STO , когда давление склейка превышает 10 МПа 18. Тем не менее, проявляет STO температуры поведение зависит пластичность, что указывает на давление склейка может превышать 10 МПа при определенных температурах. Выше 1200 ° С и ниже 700 ° С, STO демонстрирует некоторую пластичность, при которой нагрузку, превышающую 120 МПа может быть применен без мгновенного разрушения образца. В промежуточном диапазоне температур от 700-1,200 ° C, STO является хрупким и опыт мгновенного разрушения в секЛоконы более 10 МПа. При 800 ° С, STO имеет незначительные деформируемости перед разрывом при напряжении менее 200 МПа 19, 20, 21. Следовательно, температура Адгезионные покрытия для формирования STO бикристаллической через SPS аппарат должен быть выбран в соответствии с поведением пластичности материала.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Приготовление образца монокристалла титаната стронция
Примечание: Монокристалл STO поставляется с поверхностью (100) отполированной до зеркального блеска.
- Раздел STO в 5x5 мм 2 штуки с использованием алмазной проволочной пилы.
- Ультразвуковым чистых образцов при 50-60 Гц последовательно в ваннах ацетона, изопропилового спирта и метанола в течение пятнадцати минут каждый.
- Удалить STO из метанола ванны немедленно поставить на горячую плиту выдерживают при температуре 200 ° С. Нагрев образца после очистки предотвращает образование испарения пятнистость из спирта.
- Место образцы в течение десяти минут в буферном плавиковой кислоты (рН 4), 6: 1 раствором фторида аммония и 49% фтористоводородной кислоты. 22 Это решение разъедает STO, образуя преимущественно (100) TiO 2 прекращена поверхность. Если оптически плоская сторона монокристалла имеет радужную патины, образец был более травлению и должны пВЗ использоваться.
- Через десять минут в растворе травителя, ополоснуть образцы в деионизованной (ДИ) воды, а затем в изопропаноле. Сушат используя чистый воздух дома.
2. Формирование бикристалла с помощью плазмы искры агломерационного аппарата
Примечание: Для 5х5 мм 2 кристалла использования 30 мм графита диаметр штампа. Если головку с диаметром меньше, чем 30 мм используется, бикристалла катастрофически переломов во время склеивания. Оптимальный размер матрицы, а также давление, оказываемое устройством SPS сильно зависит от размеров кристаллов.
- Поместите 30 мм круг графитовой бумаги на графитовый поршень диаметром 30 мм. Графит бумага предотвращает STO от приклеивания к графитовым плунжера во время эксперимента.
- Стек два 5x5 мм 2 STO монокристаллов с их оптически плоских поверхностей , расположенных вовнутрь, образуя бикристалла границу. Сосредоточьте стек поверх графитовой бумаги и плунжера.
- Поверните верхний одиночный крикStal вокруг оси <100> на выбранном угле дезориентации. <100> ось перпендикулярна к оптически плоской поверхности кристалла.
- Вставьте графитовый кубик над поршнем и кристаллов. Поместите второй 30 мм окружность диаметром графитовой бумаги, а затем 30 мм поршень диаметром свыше уложенных кристаллов STO.
- Стек комбинированных плунжеры и умереть на графитовых распорок в SPS аппарата (рисунок 1).
- Нанесите одноосное усилие 3 кН, чтобы минимизировать сопротивление контакта с помощью кнопок управления Z-оси. На протяжении всего эксперимента, пользователь должен сохранить силу при 3 кН с помощью кнопок управления Z-оси.
- Вставка K-термопары типа в графитовую матрицу на небольшое отверстие, как показано на рисунке 1. Термопара проходит через фильеру к образцу.
- Установите давление в камере аппарата SPS до ~ 10 Па с помощью кнопок вакуумного толчка.
- Выбор температуры связь, время, а также отопления курсы с помощью программы прибора соПрограммное обеспечение управляете (таблица 1). Для получения температуры и времени склеивания, используют скорость нагрева 70-80 ° С / мин и скорость охлаждения 50 ° С / мин.
- Набор 12 с на 2, с выкл импульса постоянного тока с использованием прибора кнопку спекание. Импульсный смещение ~ 4 V и постоянный ток ~ 550 А применяются постепенно к образцу, когда программа устанавливается для запуска.
- Нажмите кнопку запуска на компьютере.
- Удалить образец, когда программа закончится. После формирования бикристаллической, образец появится серо-черный из-за восстановительной среде аппарата SPS.
- Использование высокой температуры в печи при температуре 1200 ° С в течение 140 ч, не применять никакого давления во время этой процедуры, чтобы отжечь и повторно окислять образца на воздухе. Параметры Отжигательные были выбраны в соответствии с предыдущей работы , проделанной Hutt и соавт. в котором бикристаллов формируется в условиях высокого вакуума 13. После отжига образец показывает, грязно-белого цвета и окисляется.
- Поперечное сечение бикристалле с алмазной проволочной пилы в 5x1 мм 2 -х секций.
- Польские образцы поперечного сечения с нанесенными притирки пленкой. Зернистость на алмазный притирки пленки постепенно уменьшается от 9 мкм до 0,1 мкм. Изменение меньшего размера зернистости раз царапины равномерным по всей поверхности. Используйте движение валика против часовой стрелки в течение 9 до 6 мкм притирки пленку. Используйте движение валика против часовой стрелки с массажным головкой образца для 6 мкм до 0,1 мкм притирки пленки.
- Polish образцы поперечного сечения с коллоидным диоксидом кремния в течение двух минут, используя матовую ткань. Постоянно влить коллоидный диоксид кремния на мат с движением против часовой стрелки и качающегося валика головки образца.
- Пятнадцать секунд перед удалением образца, остановить заливки коллоидный диоксид кремния и вылить DI воды на валике. Налейте воду DI в течение пятнадцати секунд, снимите пробу, и немедленно промойте образецв деионизированной воде в течение 1 мин. Если эта процедура не соблюдается, коллоидный кремнезем склеивает поверхности образца и затенить границу зерна во время сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
- После того, как образец полировали до оптически гладкой поверхностью, ультразвуковым способом чистые образцы последовательно в ваннах ацетона, изопропанола и метанола в течение пятнадцати минут каждый.
- Удалить STO из метанола ванны немедленно поставить на горячую плиту выдерживают при температуре 200 ° С. Нагрев образца после очистки предотвращает образование испарения пятнистость из спирта.
- Крепление образца полированную поверхность вверх на образец заглушкой с использованием коллоидного графита.
- Sputter пальто поверхности образца с 2-3 нм углерода. Используйте следующие параметры для углерода: для нанесения покрытий разрешение импульса 0,2 нм / импульс тока частотой шага 0,2 А / импульса, импульсного тока 40 А, длительность импульса 2 сек и максимальным импульсами 50.
4. Очистка FIB медную сетку
- Поместите FIB решетку меди в ацетоне, а затем изопропанолом бане в течение 1 ч каждый.
- FIB сетки чистой меди в плазме в течение 10 мин.
5. Получение просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) Ламель через сфокусированный пучок ионов (FIB) Аппарат
Примечание: Все параметры, используемые при подготовке FIB набираются или выбираются из выпадающего меню в программном обеспечении устройства FIB.
- Поместите образец STO и FIB сетки меди в FIB аппарата. Стадия составляет 7 мм.
- Найдите интересующую область вдоль границы раздела между двумя монокристаллов, то есть границы зерен.
- Выберите паттернирования диалоговое окно. В паттернирования Control выберите Rectangle Tool паттернирования со свойством приложения Ce-DEP поверхности. Вставьте C-DEP для закачки газа в пласт. Депозит 15 × 2 × 2 мкм 3 защитный слой CArbon с помощью электронного пучка при напряжении 5,0 кВ, ток 13.0 нА, а угол наклона 0 °. Отвод C-DEP.
- Выберите паттернирования диалоговое окно. В паттернирования Control выберите Rectangle Tool паттернирования со свойством приложения W-DEP. Вставьте W-DEP для закачки газа в пласт. Депозит 15 × 2 × 3 мкм 2 защитный слой из вольфрама с использованием ионного пучка при напряжении 30,0 кВ, ток 0,3 нА, а угол наклона 52 °. Отвод W-DEP.
- Выберите паттернирования диалоговое окно. В паттернирования Control, выберите Regular поперечников паттернирования Tool со свойством приложения Si. Используйте 22 × 25 × 15 мкм 3 для нижнего рисунка и 22 × 27 × мкм3 15 для верхнего рисунка при напряжении 30,0 кВ, ток 30,0 нА, и углом наклона 52 ° , через ионного пучка. Шаблон создаст траншейный мельницу с обеих сторон защитного слоя.
- Выберите паттернирования диалоговое окно. В паттернирования управления выберите CleanПоперечное сечение паттернирования Tool со свойством приложения Si. Используйте 22 × 3 × 60 мкм 3 для верхнего и нижнего рисунка при напряжении 30,0 кВ и токе 1,0 нА через ионного пучка. Угол наклона составляет 53,5 ° для нижнего рисунка и 50,5 ° для верхнего шаблона. Шаблон очищает поверхность траншейного ламели из рисунка curtaining, полученной в результате регулярного сечения кучность стрельбы.
- Вырезать J-образец в образец, используя структурирование инструмент Прямоугольник со свойством приложения Si. Используйте 2 мкм для ширины при напряжении 30,0 кВ и токе 1,0 нА через ионного пучка.
- Выберите Easy Lift диалоговое окно. Вставьте микроманипулятора в положение парка. Опустите микроманипулятор и приложите образец к меди FIB сетке с помощью вольфрамовой сварного шва с помощью процесса, подробно описанную в 5.4.
- Используя шаги, описанные в 5.7, μcut подводную картину, продолжая от оригинального J-модели, в образце с помощью ионного пучка при напряжении30,0 кВ и токе 1,0 нА.
- Поднимите ламель с помощью микроманипулятора выше массивного образца.
- Поворотом микроманипулятор 180 °, так что граница зерен больше не параллельны ионного пучка, а перпендикулярно к ионному пучку.
- Вольфрам приварить ламель к медной FIB сетки, используя шаги, описанные в 5.4 с ионным пучком при напряжении 30,0 кВ и токе 0,3 нА.
- Обрежьте микроманипулятор из ламели, используя шаги, описанные в 5.7 с ионным пучком при напряжении 30,0 кВ и токе 1,0 нА.
- Повторите шаги, описанные в пункте 5.3. Депозит 15 × 2 × 3 мкм 4 защитный слой углерода с использованием электронного пучка при напряжении 5,0 кВ, ток 13.0 нА, а угол наклона 0 °.
- Повторите шаги, описанные в пункте 5.4. Депозит 15 × 2 × 8 мкм 3 защитный слой из вольфрама с помощью ионного пучка при напряжении 30,0 кВ, ток 0,3 нА, а угол наклона 52 °.
- Сионный пучок, тонкий образец приблизительно 200 нм с использованием напряжения 30,0 кВ и систематически убывающий ток 0,5 нА, 0,3 нА и 0,1 нА. На данном этапе, образец сечение очистки используется, и образец наклонен на угол 52 ±± 1,5 °.
- С помощью ионного пучка, тонкий образец электронов прозрачности при напряжении 5,0 кВ и ток 77,0 мкА. На данном этапе, шаблон прямоугольник используется с углом наклона 52 ± 3 °.
- Удалите аморфный ущерб, понесенный из FIB путем очистки образца при напряжении 500 эВ и токе 150 мкА.
- Место образца в ТЭМ ТЭМ держателя и вставьте держатель в трансмиссии сканирующего электронного микроскопа (STEM). Выбрать 'Захват', изображение образца по границам зерен.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Температура склеивание, время, и угол разориентации все были изменены , чтобы определить оптимальные параметры , необходимые для максимально возможного объединенному интерфейсу фракции STO бикристаллом (таблица 1). Интерфейс был рассмотрен "связан" , когда граница зерна не было видно во время формирования изображения SEM (рис 2а). А 'несвязанные' интерфейс был выставлен , когда темный контраст изображения или пустоты присутствовали на границе месте (рис 2b). Темный контраст изображения означали коллоидного графита из процедуры монтажа FIB была рассеянное между двумя кристаллами STO за счет капиллярных эффектов. Этот несвязанные интерфейс наблюдается у краев бикристалла, в то время как объединенному интерфейсу наблюдается в центре бикристалла. Изменение в поведении связующий от края к центру бикристаллах, образованных СФС аппарата также рассматривается в бикристаллов, образованных с помощью горячего прессования techniquэс 6.
формирование Микро-трещины в объеме бикристалла наблюдается во всех образцах. Для успешного скрепленных бикристаллов, образование микро-трещины не мешает объединенному интерфейсу. При температуре клеящей способностью 1200 ° C, обширная микротрещин происходит, что приводит к хрупкому разрушению бикристалла в процессе отжига. Таким образом, температура склеивания в аппарате SPS поддерживали ниже 800 ° С, чтобы предотвратить катастрофическое разрушение.
Для бикристаллов с 0 углом разориентации ° при температурах приклеивания 600 ° С и 700 ° С, был получен 95% успешно объединенному интерфейсу. Увеличение угла разориентации бикристалла до 44,4 °, требует температуры склеивания 800 ° С и связующий времени 90 минут, чтобы достичь 45,8% успешно объединенному интерфейсу с. Высокое разрешение ТЭМ (ВПЭМ) и высокий угол кольцевое темное полесканирующей просвечивающей электронной микроскопии (HAADF-STEM) микрофотографии этого образца обнаруживают атомарно резкой границы зерен структуры без каких - либо межкристаллитной пленки или вторичных фаз присутствует (рисунок 3). Пространственно решена электронов потери энергии спектроскопии (ХПЭЭ) записаны непосредственно из интерфейса показывает уменьшение кристаллического поля расщепления ребер Ti L 3 и L 2, а также уменьшением OK интенсивности края по сравнению с насыпью (рис 4) ,
| бикристалла | Twist ориентация (°) | Bond Температура (° C) | Бонд Время (мин) | Отжиг Температура (° C) | Отжиг Время (ч) | Облигационный интерфейс ± 0,3 (%) |
| 0 * | 1200 | 15 | 1200 | 16 | - | |
| В | 0 | 600 | 90 | 1200 | 100 | 92,3 |
| С | 0 | 700 | 90 | 1200 | 100 | 99,7 |
| D | 4,3 ± 0,3 | 800 | 20 | 1200 | 50 | 79,2 |
| Е | 45 * | 700 | 60 | 1200 | 140 | 1.3 |
| F | 46,1 ± 0,5 | 800 | 20 | 1200 | 140 | 35,4 |
| г | 44,4 ± 0,1 | 800 | 90 | 1200 | 140 | 45,8 |
Таблица 1. Параметры Bonding и последующее Фракция Интерфейс бикристаллов. SPS устройствоПараметры склеивания диффузии и последующих объединенному интерфейсу фракции STO бикристаллов. Импульсный напряжения смещения ~ 4 V и постоянный ток ~ 550 А применяется для всех экспериментов. Клеевые фракции интерфейса рассчитывали из средней длины границе зерен (1,5 ± 0,4) мм. Эти регионы были взяты из той или иной местности в пределах бикристалла.
Рисунок 1. Свеча Плазменные спекания аппарата. Установка для спекания аппарата искры плазмы. Давление прикладывают перпендикулярно к бикристаллической интерфейсу. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2. Типичные интерфейсы Найдено в SPS ApParatus Сформированный бикристаллов. номинальный 45 ° поворот бикристалле образуется при температуре 800 ° С в течение 90 минут. (А) СЭМ - изображение определенного "кабального" интерфейса, граница расположения зерен выводится наличием граненым пустоты, и (б) SEM изображение определенного "несвязанные" интерфейс. Сферические шарики, наблюдаемые в изображениях являются остаточными кремнезема от полировки. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3. Высокое разрешение изображений бикристаллических зернограничной. Границы номинального 45 ° крутки бикристалла образуется при температуре 800 ° С в течение 90 минут, записанных в оси <100> зоны с ребра ориентации на плоскости интерфейса. (
Рисунок 4. Структура и химия бикристалла зернограничной. Вблизи края тонкой структуры (а) Ti L 2,3 края и (б) OK края , принятым на границе и основной массы 45 ° крутки бикристалла образуется при температуре 800° С в течение 90 минут. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 5. FIB Фрезерование на бикристалла зернограничной. ВПЭМ образы ФВБ ТЕМ ламелями (а) образца с границей зерна , параллельной ионного пучка , и (б) образца с границы зерен , перпендикулярные ионного пучка. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Температура приклеивания 1200 ° C была выбрана, чтобы максимизировать распространение в виде небольших изменений температуры может сильно повлиять на кинетику всех механизмов диффузионного связывания. Температура 1200 ° C находится вне хрупко-пластичного диапазоне температур перехода от STO. Тем не менее, образец подвергся хрупкому разрушению при этой температуре. Катастрофический провал STO бикристалла не было неожиданным, так как STO имеет ~ 0,5% Пластичность при 1200 ° С. Кроме того , образец выдерживают при давлении 140 МПа в течение всего процесса нагревания и STO переходы через ее хрупкого стадии во время этого процесса нагрева , где она имеет 0% пластичностью 21. Таким образом, успешное связывание диффузии монокристаллов с помощью аппарата SPS требует углубленного понимания температуры зависимого поведения пластичности материала.
Два бикристаллы были сформированы с использованием температуры склеивания 800 ° С и время прикрепления 20 минут.бикристалле с номинальным разориентации 4 отжигали в течение 50 часов и показал облигационный интерфейс фракции 2.2x больше, чем бикристалла с номинальным разориентации 45 °, отжигают в течение 140 часов. Отжиг раз дольше, чем 50 часов не выявили какого-либо существенного улучшения качества диффузионной сварки. Температура и время отжига были выбраны в соответствии с предыдущей работы , в которых были сформированы бикристаллы в высокой вакуумной печи, аналогично устройству SPS 11. Для того, чтобы выяснить, есть ли воздействие процесса отжига на диффузионной сварки этих бикристаллов, длины диффузии связей были вычислены и оказались 0,27 нм при температуре 1200 ° С в течение 140 часов 23. Выбранные параметры отжига, таким образом, только имели ограниченное влияние на диффузионной сварки бикристалла. Этот анализ был дополнительно поддерживается при диффузионной сварки бикристалла с 45 ° крутки разориентации не былоуспешным для одних и тех же параметров, используемых в процессе отжига.
В то время как выбранные параметры отжига существенно не влияет на диффузионной сварки, угол разориентации действительно оказывает выраженный эффект. Крутонаклонные углы разориентации создают большую структурную несоответствие между двумя половин кристаллов, что затрудняет сечение диффузии и уменьшается интерфейс связи. Для больших углах разориентации, температура и время склеивания должна быть увеличена для того, чтобы иметь больший успешно объединенному интерфейсу фракции.
Бикристаллом формирование с помощью методов обработки SPS происходит в значительно Ускоренное время шкал и умеренной температуры по сравнению с обычными методами горячего пресса. Эта разница в параметрах обработки между обычной диффузионной сварки и способа SPS также рассматривается в формировании порошковых и композиционных материалов. Как уже упоминалось выше, бикристаллов формируется с помощью традиционных методов диффузионной сваркиобразуются при температурах выше 1400 ° C с временами масштабах от 3 до 20 часов , 11, 24. С помощью инструмента SPS, диффузионная сварка происходит при температуре 800 ° C с временами шкалах от 20 до 90 минут. Техника СПС затем полезно для быстрой диффузионной сварки бикристаллов по сравнению с обычными методами. Бикристалла образование прибором SPS позволяет также экспериментального наблюдения механизмов переноса массы на границе зерна с выбранным разориентации. Это экспериментальное наблюдение обеспечит более глубокое представление о механизмах, лежащих в основе методики SPS.
Микротрещин в объеме STO бикристалла предотвращено обычную механическую подготовку ТЕМ ламелями. Механический процесс прореживания привело к разрушению ТЕМ ламели из-за микротрещин, распространяющихся по всему объему. Таким образом, был использован ФВБ препарат ТЕМ ламели. Обычные FIB лIFT-из ламели, в которых граница зерна параллельна ионного пучка, привело к преимущественному фрезеровании вдоль границы раздела плоскости (рис 5а). Методика подготовки FIB был впоследствии изменен. Во-первых, толщина исходного защитного слоя углерода и вольфрама был выбран таким образом, в конце стадии подъема-аут, чтобы защитный слой измельчали прочь. Если защитный слой был слишком толстым и оставался на протяжении всего процесса утонения повторного осаждения вольфрама произошло и затемняется исследованием с помощью ТЭМ. Во-вторых, после того, как ТЕМ ламель был прикреплен к кончику микроманипулятором, микроманипулятора был повернут на 180 °. Это вращение вызвало граница зерен , чтобы стать перпендикулярно ионного пучка, таким образом предотвращая преимущественным прореживания (5б). И наконец, после того, как процесс подъема-аут, защитные слои углерода и вольфрама были нанесены на поверхность вновь ориентированной ТЕМ ламели. Эти модификации обычной FIB пртехника eparation привело к чистому ТЕМ ламели, позволяющей атомарной разрешающая способность по HAADF-STEM.
ВПЭМ и HAADF-STEM микрофотографии для бикристалла облигационного при температуре 800 ° С в течение 90 минут с номинальным 45 ° границе завихрение зерна показать атомарно разрешенное границ зерен структуры без каких-либо вторичных фаз. Пространственно ХПЭЭ решены выявить изменения в координации Ti в пределах границ зерна ядер, что указывает на увеличение концентрации кислородных вакансий по сравнению с объемными. Эти результаты согласуются с отчетами в литературе для малоугловых границ зерен твист 25. Дальнейший анализ этих экспериментов описаны в другом месте 26.
В этом исследовании STO бикристаллы были успешно синтезированы впервые с использованием устройства SPS. Бикристаллы с твист-ориентации 0 °, 4 °, и 45 ° были сформированы при высоком давлении с умеренной температуре и времени склеиваниявесы по сравнению с теми параметрами, обнаруженных в обычной связи. Формирование бикристаллов с помощью аппарата SPS дает возможность количественно определить влияние электрического поля, а также скорости нагрева на отдельных зернограничной основных структур.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
LH с благодарностью отмечает финансовую поддержку со стороны США в Национальный научный фонд Graduate Fellowship под исследовательский грант № 1148897. электронная микроскопия характеристик и обработки SPS в UC Davis была выполнена при финансовой поддержке награду Калифорнийского университета Лаборатория Плата (# 12-LR-238313). Работа на молекулярном Foundry была поддержана Управлением науки, Управление основной энергии наук, Департамента энергетики США по контракту № 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 |
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, Springer Science & Business Media. (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. , University of Stuttgart. (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 SrTiO3 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).
