Introduction
Spark plazma sinterleme (SPS) toz hızlı yoğunlaşmaya yüksek tek eksenli basınç ve darbeli akım potansiyel uygulama 1 sıkıştırır olduğu bir tekniktir. Ek sinterleme yardımcıları, 2, 3, 4, 5, gerekli olan bu teknik, aynı zamanda, silikon nitrit / silikon karbid, zirkonyum borür / silikon karbür, silisyum karbür gibi çeşitli malzemeler, kompozit yapılarının başarılı bir şekilde oluşumuna yol açar. Sıcak presleme geçmişte zorlu olmuştu geleneksel bu kompozit yapıların sentezi. SPS tekniği ile yüksek tek eksenli basınç ve hızlı ısıtma hızı uygulama tozları ve kompozit konsolidasyon artırır iken, literatürde 2, 3 tartışılan bu gelişmiş yoğunlaşma neden fenomen,class = "xref"> 6, 7. Ayrıca sadece tane sınır oluşumu üzerine elektrik alanların etkisi ile ilgili sınırlı bilgi ve tane sınırı çekirdekleri 8, 9 sonuçlanan atom yapılarını söz konusudur. Bu temel yapılar yüksek gerilim kapasitörlerin elektrik arıza ve seramik oksitlerin 10 mekanik dayanıklılığı ve katılığını içeren SPS sinterlenmiş malzemeler fonksiyonel özelliklerini belirlemek. Bu nedenle, uygulanan akımın olarak SPS işlem parametrelerinin bir fonksiyonu gibi temel tane sınırı yapısı, bir maddenin, genel fiziksel özellikleri manipülasyon için gereklidir. Sistematik SPS destekleyen temel fiziksel mekanizmaları aydınlatmak için bir yöntem belirli tane sınır yapıları, yani bicrystals oluşmasıdır. Bir bikristal daha sonra iki tek kristaller, manipülasyonu ile oluşturulur DIFFUBelirli misorientation ile bağlanmış sion 11 açıları. Bu yöntem, bir işlem parametrelerinin bir fonksiyonu takviye konsantrasyonu ve katışkı ayrıştırma 12, 13, 14 gibi temel tane sınırı iç kısım yapılarını araştırmak için kontrollü bir şekilde sağlar.
Sıcaklık, süre, basınç, yapıştırma, bir atmosfer 15: Difüzyon yapıştırma dört parametre bağlıdır. Stronsiyum titanat konvansiyonel Difüzyon (SrTiO 3, STO) tipik olarak bicrystals 1,400-1,500 ° C bir sıcaklık aralığı içinde, 1 MPa altında bir basınçta gerçekleşir ve zaman ölçekleri 3 ile 20 saat 13, 14, 16, 17 arasında değişen. Bu çalışmada, bir SPS tertibatında yapıştırma c önemli ölçüde daha düşük sıcaklık ve zaman ölçeklerinde elde edilirgeleneksel yöntemlere omparison. SPS önemli ölçüde böylece kendi mikro manipülasyon yoluyla bir malzemenin özelliklerinin avantajlı kontrolünü sağlayarak, tane büyümesini sınırlar aracılığıyla polikristal malzemeler için, sıcaklık ve zaman ölçekleri azalır.
SPS cihaz, bir 5 x 5 mm 2 örnek için, 140 MPa asgari basınç uygulamaktadır. Geleneksel difüzyon bağlama sıcaklığı aralığı içinde, Hutt ve diğ. bağlama basıncı MPa 18 10 aştığında STO anlık kırığı rapor. Ancak, STO belirten bağlama basıncı belirli sıcaklıklarda 10 MPa aşabilir, sıcaklığa bağlı plastisite davranışı sergiler. 1.200 ° C'ın üzerinde, 700 ° C'nin altında, STO numunenin anında kırık olmadan uygulanabilir daha büyük 120 MPa vurgulamaktadır hangi belli bir yumuşaklık arzetmektedir. 700-1,200 ° C ara sıcaklık aralığı içinde, STO s kırılgan ve deneyimleri anlık kırığı10 MPa daha büyük topuzlar. 800 ° C 'de, STO 200 MPa 19, 20, 21 daha az gerilimlerde kırılma önce hafif deforme sahiptir. Bu nedenle, SPS cihaz ile STO bikristal oluşumu için bağlanma sıcaklıkları uygun maddenin yoğurulabilirliği davranışına uygun olarak seçilmelidir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Tek Kristal Stronsiyum Titanate 1. Numune Hazırlama
NOT: Tek kristal STO bir ayna bitirmek için cilalı bir (100) yüzeyi ile birlikte verilir.
- Elmas tel kullanarak 5x5 mm 2 parçaya Bölüm STO gördü.
- On beş dakika her biri için aseton, izopropanol ve metanol banyolarında ardışık 50-60 Hz ultrasonik temiz örnekler.
- Hemen 200 ° C arasındaki bir sıcaklıkta tutulan bir sıcak plaka üzerine yerleştirin metanol banyosundan STO çıkarın. temizlikten sonra numuneyi ısıtarak alkol buharlaşma lekelenme oluşumunu engeller.
- amonyum florür ve% 49 hidroflorik asit 1 çözeltisi: tamponlu hidroflorik asit içinde on dakika (= 4 pH) bir 6 Örnekleri. 22 Bu çözelti, bir ağırlıklı olarak (100) TiO2 sona yüzeyini oluşturan, STO etches. Tek kristal optik düz tarafı bir gökkuşağı patine varsa n gerektiğini kazınmış aşırı ve örnek olmuşturOT kullanılabilir.
- dağlayıcı solüsyon on dakika sonra, izopropanol daha sonra deiyonize (Di) su içinde örnekleri yıkayın ve. Temiz ev havası kullanılarak kurutun.
Spark Plazma Sinterleme Aparatı aracılığıyla 2. bikristal Formasyonu
NOT: 5x5 mm 2 kristal kullanımı 30 mm çaplı grafit kalıp için. çapında bir kalıp daha küçük 30 mm kullanılırsa, bikristal katastrofik bağlanması sırasında kırığı. SPS cihaz tarafından uygulanan optimum çekirdek büyüklüğü ve hem de basıncın kristallerinin boyutuna oldukça bağımlıdır.
- 30 mm çapa sahip bir grafit pistona grafit kağıdı bir 30 mm daire yerleştirin. Grafit kağıdı deney esnasında grafit plançere bağlanmasından STO engeller.
- Bikristal sınır oluşturacak şekilde içe dönük yerleştirilen optik olarak düz yüzeylere sahip iki 5x5 mm 2 STO tek kristalleri yığını. grafit kağıt ve pistonun üstündeki yığını ortalayın.
- Üst tek çığlık döndürünSeçilen bir misorientation açısına <100> ekseni etrafında Stal. <100> eksen kristalinin optik düz bir yüzeye diktir.
- piston ve kristaller üzerinde grafit kalıp kaydırın. yığılmış STO kristalleri üzerinde ikinci bir grafit kağıdı 30 mm çaplı daire ve sonra 30 mm çapında piston yerleştirin.
- Kombine plungers yığını ve SPS aparatı grafit aralama (Şekil 1) üzerine ölür.
- z ekseni kontrol düğmelerini kullanarak iletişim direncini en aza indirmek için 3 kN tek eksenli kuvvet uygulanır. deney boyunca, kullanıcı z-ekseni kontrol düğmeleri ile 3 kN de kuvvet tutmalısınız.
- Şekil 1'de gösterildiği küçük bir delik, grafit kalıp içine k-tipi termokupl yerleştirin. termokupl örnek kalıp boyunca uzanır.
- Vakum butonlar kullanılarak SPS aparatına ~ 10 Pa odası basıncını ayarlayın.
- Program enstrüman co aracılığıyla seçin bağ sıcaklık, süre ve ısıtma oranlarıntrol yazılımı (Tablo 1). bağlama sıcaklığı ve süresi için 70-80 ° C / dakika ısıtma hızı 50 ° C / dk bir soğutma hızını kullanır.
- 12 s, düğme sinterleme aleti kullanarak DC darbe kapalı 2 s ayarlayın. Program çalıştırmak için ayarlandıktan sonra bir ~ 4 V darbeli önyargı ve ~ 550 A akım örnek adım adım uygulanır.
- makinede start düğmesine basın.
- Program sona erdiğinde örnek çıkarın. bikristal oluşumundan sonra, numune nedeniyle SPS aygıtının azaltarak çevreye gri-siyah görünecektir.
- tavlanması ve havadaki örnek yeniden oksitlenmesi için, 140 saat boyunca 1200 ° C arasında bir sıcaklıkta bir yüksek sıcaklık fırını kullanarak, bu işlem sırasında herhangi bir baskı uygulanır. Tavlama parametreleri Hutt ve arkadaşları tarafından yapılan bir önceki çalışmaya göre seçildi. burada yüksek vakum 13 içinde oluşturulmuş bicrystals. Tavlama işleminden sonra, numune, tam beyaz olmayan bir renk ortaya çıkarır ve oksitlenir.
- Elmas tel ile Kesit bikristal 5x1 mm 2 bölüm halinde gördüm.
- Elmas vatka film ile Polonya kesit örnekleri. elmas vatka filmde tane iriliği kademeli olarak 0.1 um 9 mikron indirilmiştir. çizikler yüzey üzerinde homojen bir kez daha küçük tane büyüklüğüne değiştirin. filmi alıştırma 9 um 6 mikron bir saatin ters yönünde merdane hareketi kullanın. 6 mikron mikron ila 0.1 alıştırma film için bir salınım örnek kafası ile bir saatin ters yönünde merdane hareketi kullanın.
- mat bir bez kullanılarak iki dakika boyunca koloidal silika ile Polonya kesit örnekleri. Sürekli saat yönünün tersine merdane hareket ve titreşen örnek kafa ile hasır üzerine kolloidal silika dökün.
- Onbeş saniye örnek çıkarmadan önce, kolloidal silika dökme durdurmak ve merdane üzerine DI su dökün. On beş saniye süreyle DI su dökün örneği kaldırmak ve hemen örnek durulayın1 dakika için deiyonize suda. Bu prosedür takip edilmezse, koloidal silis numunenin yüzeyini bağ ve elektron mikroskobu (SEM) tarama sırasında tahıl sınır belirsiz olacaktır.
- Örnek optik bir düz yüzeye parlatılır sonra, arka arkaya beş dakika her biri için aseton, izopropanol ve metanol banyolarında ultrasonik temiz örnekler.
- Hemen 200 ° C arasındaki bir sıcaklıkta tutulan bir sıcak plaka üzerine yerleştirin metanol banyosundan STO çıkarın. temizlikten sonra numuneyi ısıtarak alkol buharlaşma lekelenme oluşumunu engeller.
- Dağı örnek koloidal grafit kullanarak örnek bir saplama üzerine yüzeyini cilalı.
- karbon 2-3 nm ile ceket örnek yüzeyini sputter. 0.2 nm / nabız, 0.2 A / nabız mevcut adım oranı, 40 A darbe akımının, 2 s darbe uzunluğu ve 50 maksimum darbeler bir darbe çözünürlüğü: karbon kaplayıcı için aşağıdaki parametreleri kullanın.
4. FIB Bakır Izgara Temizleme
- 1 saat her biri için bir sonra aseton ve izopropanol banyosunda bakır FIB ızgara yerleştirin.
- 10 dakika boyunca Plazma temiz bakır FIB ızgara.
Transmisyon Elektron Mikroskopisine (TEM) odaklanmış iyon demeti (FİB) cihaz ile lamelinin 5. hazırlanması
NOT: FIB hazırlanmasında kullanılan tüm parametreler yazdığınız veya FIB cihazı yazılımı açılır menü seçilir.
- FIB aygıtında STO örnek ve bakır FIB ızgara yerleştirin. Etap 7 mm yer almaktadır.
- Iki tek kristaller, yani tane sınırı arasındaki arayüz boyunca ilgi bir bölge bulun.
- Patterning diyalog kutusunu seçin. Desenlendirme Kontrolü, uygulama özelliği Ce-dep yüzeye sahip Dikdörtgen Desenlendirme Aracı'nı seçin. Gaz enjeksiyon için C-dep yerleştirin. C 15 × 2 × 2 mikron 3 koruyucu tabaka yatırınarbon 5.0 kV, 13.0 nA bir akım gerilim elektron ışını ve 0 ° 'lik bir eğim açısını kullanarak. C-dep geri çekin.
- Patterning diyalog kutusunu seçin. Desenlendirme Kontrolü, uygulama özelliği W-DEP ile Dikdörtgen Desenlendirme Aracı'nı seçin. Gaz enjeksiyon için W-dep yerleştirin. 30.0 kV, 0.3 nA bir akımın bir voltajda iyon ışını kullanarak tungsten Depozito 15 × 2 × 2 mikron 3 koruyucu tabaka ve 52 ° 'lik bir eğim açısı. W-dep geri çekin.
- Patterning diyalog kutusunu seçin. Desenlendirme Kontrolü, uygulama özelliği Si ile düzenli Kesit Desenlendirme Aracı'nı seçin. 30.0 kV, 30.0 nA bir akım ve iyon ışını aracılığı ile 52 ° 'lik bir eğim açısının bir voltajda üst model için alt desen ve 22 × 27 × 15 mm 3 22 × 25 × 15 mm 3 kullanın. desen, koruyucu tabakanın her iki tarafına da bir siper değirmen oluşturur.
- Patterning diyalog kutusunu seçin. Desenlendirme Kontrolünde Temiz seçinuygulama özelliği Si ile Bölüm Desenlendirme Aracı çapraz. 30.0 kV bir voltajda, üst ve alt kalıp ve iyon ışını ile 1,0 nA akımı 22 x 3 x 60 um 3 kullanın. eğim açısı alt desen için 53.5 ° ve üst desen için 50.5 ° 'dir. desen düzenli kesit desen kaynaklanan perdeleme desen döşenen lamel yüzeyini temizler.
- uygulama özelliği Si ile Dikdörtgen Desenlendirme aracını kullanarak numune içine J-desen kesin. 30.0 kV voltaj ve iyon ışını ile 1,0 nA akımda genişliği 2 um kullanın.
- Kolay Lift diyalog kutusunu seçin. park konumuna mikromanipülatör yerleştirin. Mikromanipülatör indirin ve 5.4 detaylandırılan işlemi kullanarak bir tungsten kaynak yoluyla bakır FIB ızgarasına örneği ekleyin.
- 5.7 ayrıntılı olarak açıklanan adımları kullanarak, bir gerilim ile iyon ışını kullanarak örnek orijinal J desen devam U kalıp μcut30.0 kV ve 1.0 nA bir akım.
- Toplu numune üzerinde mikromanipülatör üzerinden lamel kaldırın.
- tane sınırı artık iyon ışınına paralel böylece, mikromanipülatör 180 ° döndürün, ancak iyon ışını dik.
- Volfram 30.0 kV voltajda iyon ışını ve 0.3 nA bir akımı ile 5.4 ayrıntılarıyla adımları kullanarak bir bakır FIB ızgarasına lamel kaynak.
- 30.0 kV voltajda iyon ışını ve 1.0 nA bir akımı ile 5.7 ayrıntılarıyla adımları kullanarak lamel gelen mikromanipülatör kesin.
- 5.3 ayrıntılarıyla adımları tekrarlayın. 5.0 kV, 13.0 nA bir akımının bir voltajda bir elektron ışını ile bir karbon 15 x 2 x 4 um 3 koruyucu tabaka ve 0 ° 'lik bir eğim açısını bırakın.
- 5.4 ayrıntılarıyla adımları tekrarlayın. 30.0 kV, 0.3 nA bir akımın bir gerilimde bir iyon ışını kullanarak tungsten Depozito 15 × 2 × 8 mikron 3 koruyucu tabaka ve 52 ° 'lik bir eğim açısı.
- İleİyon demeti, 30.0 kV voltaj ve 0.5 nA sistematik düşüş akımı, 0.3 Na ve 0.1 nA kullanılarak yaklaşık 200 nm Örnek ince. Bu aşamada, bir temizleme kesit deseni kullanıldığında ve örnek 52 ±± 1.5 ° 'lik bir açıyla eğimlidir.
- iyon ışını ile, ince bir örneği 5.0 kV voltaj ve 77.0 Pa'lık bir akımı kullanarak saydamlık elektron. Bu aşamada, bir dikdörtgen model 52 ± 3 ° 'lik bir eğim açısı kullanılmaktadır.
- 500 eV gerilim ve 150 uA bir akımda numune temizleyerek FIB kaynaklanacak amorf hasar çıkarın.
- taramalı transmisyon elektron mikroskobu (STEM) TEM tutucu ve uç tutucu yerleştirin TEM örnek. Seç 'Yakalama', görüntü örnek tane sınırı.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Yapıştırma sıcaklık, süre ve misorientation açısı STO bikristal (Tablo 1) mümkün olan en yüksek bağlanmış arayüz kısmı için gereken uygun parametreleri belirlemek amacıyla, değiştirilmiş. Arayüz tane sınırı SEM görüntüleme (Şekil 2a) sırasında görünür değilken 'bağlanmış' olarak kabul edildi. Karanlık bir görüntü kontrastı veya boşluklar sınır konumu (Şekil 2b) mevcut iken A 'bağsız' arabirim sergilendi. FIB montaj işlemi kılcal etkileri nedeniyle iki STO kristalleri arasında dağınık olduğu koyu görüntü kontrastı kolloidal grafit anlamına. bağlanmış arayüz bikristal merkezinde görülmektedir ise bu bağsız arayüzü bikristal kenarlarında görülmektedir. SPS cihaz tarafından oluşturulan bicrystals merkezine kenarından yapışma davranışlarında bir değişiklik aynı zamanda sıcak presleme techniqu ile oluşturulan bicrystals görülüres 6..
bikristal kütlesi içinde mikro-çatlak oluşumu tüm örneklerde görülmektedir. başarılı bir şekilde bağlanmış bicrystals için, mikro-çatlak oluşumu bağlanmış arayüzü ile karışmaz. 1,200 ° C seviyesinde bir birleştirme sıcaklığında, geniş bir mikro çatlama tavlama sırasında bikristal kırılgan yetmezliğine yol oluşur. Bu nedenle, SPS tertibatında yapıştırma sıcaklığı felaket kırık önlemek için 800 ° C'nin altında tutuldu.
600 ° C yapışma sıcaklıklarında 0 ° misorientation açısı ve 700 ° C bicrystals, bir% 95 başarılı bir şekilde bağlanmış bir arayüz elde edildi. 44.4 ° bikristal arasında misorientation açısındaki bir artış% 45.8 başarılı bağlanmış bir arayüz sağlamak için 90 dakika, 800 ° C ve yapıştırma zaman yapıştırma sıcaklığı gerektirir. Yüksek çözünürlüklü TEM (HRTEM) ve yüksek açılı halka şeklindeki karanlık alantaramalı transmisyon elektron mikroskobu (HAADF-STEM) Bu örnek mikrograflar hiçbir taneler arası film veya ikincil fazların mevcut (Şekil 3) ile bir atomik ani tane sınırı yapısını ortaya koymaktadır. Toplu göre uzamsal olarak çözümlenmiş elektron enerji kaybı spektroskopisi arayüzü doğrudan kaydedilir (DD) Ti L 3 ve L 2 kenarlarının kristal alan bölme hem de ok kenarı yoğunluğunda bir azalma ile bir azalma gösterir (Şekil 4) .
| bikristal | Büküm Yönü (°) | Bond Sıcaklık (° C) | Bond Süresi (dak) | Tavlama sıcaklığı (° C) | Tavlama Süresi (h) | 0.3 ± Bonded arabirimi (%) |
| bir | 0 * | 1200 | 15 | 1.200 | 16 | - |
| B | 0 | 600 | 90 | 1.200 | 100 | 92.3 |
| C | 0 | 700 | 90 | 1.200 | 100 | 99.7 |
| D | 4.3 ± 0.3 | 800 | 20 | 1.200 | 50 | 79.2 |
| E | 45 * | 700 | 60 | 1.200 | 140 | 1.3 |
| F | 46.1 ± 0.5 | 800 | 20 | 1.200 | 140 | 35.4 |
| G | 44.4 ± 0.1 | 800 | 90 | 1.200 | 140 | 45.8 |
Tablo 1. Yapıştırma Parametreleri ve Bicrystals sonradan Arayüz Kesir. SPS aparatıDifüzyon parametreleri ve BH bicrystals sonraki bağlanmış arayüz fraksiyonlar. A ~ 4 v darbeli ön gerilim voltajı ve • 550 doğru akım, tüm deneyler için uygulanır. Gümrüklü arayüz fraksiyonları (1.5 ± 0.4) mm ortalama tane sınırı uzunluğu hesaplandı. Bu bölgeler, bikristal içinde değişen yerlerde alınmıştır.
1. Kıvılcım Plazma Sinterleme Aparatı Şekil. kıvılcım plazma sinterleme cihazları için ayarlayın. Basınç bikristal arayüz dik uygulanır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
SPS Ap Bulunan Şekil 2. Tipik Arayüzlerparatus Bicrystals oluşturulmuş. Nominal 90 dakika süre ile 800 ° C arasında bir sıcaklıkta meydana 45 ° büküm bikristal. Tanımlı 'bağlanmış' arabiriminin (a) SEM görüntüsü, tane sınır konumu tanımlanan 'bağsız' arayüzü yönlü boşluğun varlığı, ve (b) SEM görüntüsü ile anlaşılmaktadır. görüntülerde gözlenen küresel boncuklar parlatma kalıntı silis vardır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 3. bikristal Tahıl Sınır Yüksek Çözünürlüklü Görüntüleme. bir kenar arayüz düzlemi için yönlendirme ile <100> 'de kaydedilen 90 dakika bölgesi ekseni boyunca 800 ° C arasında bir sıcaklıkta meydana Nominal 45 ° büküm bikristal sınır. (
Şekil 4. Yapı ve Kimya bikristal Tane Sınır. Kenar ince sınır alındığı: (a) Ti L 2,3 kenarı ve (b) ok kenar yapısı ve 800 arasında bir sıcaklıkta meydana 45 ° büküm bikristal kütlesi yakınlarında90 dakika ° C. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 5. bikristal Tahıl Sınırından FIB Freze. Iyon ışını dik tanecik sınırında iyon ışını ve (b) numune için tanecik sınırı paralel: (a) numunenin FIB TEM lamelinin HRTEM ve görüntüler. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
1,200 ° C yapışma sıcaklığı sıcaklığında küçük değişiklikler büyük ölçüde tüm difüzyon bağlama mekanizmalarının kinetiklerini etkileyebilir gibi difüzyon en üst düzeye çıkarmak üzere seçilmiştir. 1,200 ° C arasında bir sıcaklık STO kırılgan-sünek geçiş sıcaklığı kapsamı içinde değildir. Ancak, örnek bu sıcaklıkta gevrek kırılma uygulandı. STO olduğu gibi STO bikristal felaket başarısızlık ~ 1200 ° C'de% 0.5 sünekliği beklenmedik değildi. Ayrıca, örnek ısıtma işlemi boyunca 140 MPa'lık bir basınç altında tutulan ve BH% 0 süneklik 21 yer alır Bu ısıtma işlemi sırasında kırılgan aşamasında geçişler edildi. SPS aparatı aracılığıyla tek kristal Böylece başarılı difüzyon yapıştırma bir malzemenin sıcaklığa bağlı plastisite davranışının derinlemesine bir anlayış gerektirmektedir.
İki bicrystals 800 ° C arasında bir bağlama sıcaklığı ve 20 dakikalık bir zaman bağ kullanılarak oluşturulmuştur.4 nominal misorientation sahip bikristal 50 saat boyunca tavlanmış ve 140 saat süre ile tavlanmış 45 ° nominal misorientation ile bikristal, daha büyük bir bağlanmış arayüz kısmı 2.2x değerini sergilendi. 50 saatten daha uzun Tavlama süreleri difüzyon yapıştırma kalitesi önemli bir gelişme ortaya koymamıştır. Tavlama sıcaklığı ve süresi bicrystals SPS cihazının 11 benzer bir yüksek vakumlu fırın içinde oluşturulmuş edildiği önceki çalışmaları göre seçilmiştir. Bu bicrystals bir difüzyon tavlama işleminin bir etkisi olup olmadığını, difüzyon bağ uzunlukları hesaplanır ve 140 saat 23 1.200 ° C arasındaki bir sıcaklıkta, 0.27 nm olarak bulunmuştur tespit etmek için. Seçilen tavlama parametreleri, bu nedenle, sadece bikristal difüzyon bağı üzerinde etkisi sınırlı olmuştur. 45 ° büküm misorientation bir bikristal difüzyon bağı değilken Bu analiz daha desteklenditavlama sırasında kullanılan aynı parametreler için başarılı bir.
Seçilen tavlama parametrelerinde anlamlı difüzyon yapıştırma etkisi yoktu, misorientation açısı belirgin bir etkisi var. Yüksek açılı misorientation açıları çapraz difüzyon engelleyen ve arayüz bağ azalır iki yarım kristalleri arasındaki büyük yapısal uyumsuzluk yaratmak. Yüksek misorientation açıları için, yapıştırma sıcaklığı ve süresi büyük bir başarı ile bağlanmış arayüz fraksiyonu elde etmek için daha da artırmak gerekir.
SPS işleme teknikleri ile bikristal oluşumu geleneksel sıcak pres yöntemlere kıyasla önemli ölçüde hızlandırılmış kez terazi ve orta sıcaklık aralıklarında meydana gelir. Geleneksel difüzyon SPS yöntemi arasındaki işlem parametreleri bu fark ayrıca toz kompakt ve kompozit oluşumu görülür. Yukarıda zikredildiği gibi, geleneksel Difüzyon yöntemlerle oluşturulan bicrystals3 ile 20 saat 11, 24 arasında değişen zamanlar pullarla 1400 ° C'den daha yüksek sıcaklıklarda oluşur. Bir SPS bir alet kullanarak, Difüzyon 20 ila 90 dakika arasında değişen zamanlar terazi 800 ° C arasındaki bir sıcaklıkta oluşur. SPS tekniği, klasik yöntemlere kıyasla bicrystals hızlı difüzyon için faydalı olur. SPS cihaz tarafından bikristal oluşumu da seçilen bir misorientation bir tane sınırında kütle aktarım mekanizmalarının deneysel gözlem için izin verir. Bu deneysel gözlem SPS tekniği destekleyen mekanizmaların daha fazla fikir verecektir.
Toplu STO bikristal Mikro-çatlaklar geleneksel mekanik TEM lamel hazırlanmasını önledi. mekanik inceltme işlemi nedeniyle toplu yayılan mikro çatlaklara TEM lamel kırılmasına yol açtı. Bu nedenle, TEM lamel FIB hazırlık kullanıldı. Konvansiyonel FIB larayüz düzlemi (Şekil 5A) boyunca tercih edilen öğütme yol tane sınırı iyon ışını paralel olan lamellerin, bir IFT Çıkış. FIB hazırlık tekniği sonradan değiştirilmiştir. İlk olarak, karbon ve tungsten, ilk koruyucu tabakanın kalınlığı kaldıraç üzerinden aşamasının sonunda, yani seçilmiş, koruyucu tabaka uzaklıkta öğütülmüştür. Koruyucu tabaka çok kalın ve inceltme işlemi boyunca kalır, tungsten yeniden çökelme meydana geldi ve TEM analizi gizlenmiş. TEM lamel mikromanipülatör ucuna bağlanmış sonra ikincisi, mikromanipülatör 180 ° döndürülmüştür. Bu dönüş, dolayısıyla tercih edilen incelme önlenmesi, tane sınırlarında iyon ışını dik olmaya neden olmuştur (Şekil 5b). Son olarak, asansör üzerinden işleminden sonra, karbon ve tungsten koruyucu katman yeni yönlendirilmiş TEM lamel yüzeyi üzerine biriktirilmiştir. Geleneksel FIB pr yapılan bu değişikliklerAyırma tekniği HAADF-KÖK tarafından atomik çözünürlük görüntüleme sağlayan bir temiz TEM lamel yol açtı.
nominal 45 ° büküm tane sınırı ile 90 dakika boyunca 800 ° C'de bağlı bikristal için HRTEM ve HAADF-KÖK mikrograflar ikincil fazlar ile bir atomik çözülmesi tane sınırı yapısını göstermektedir. Mekansal çözülmesi EELS toplu karşılaştırıldığında oksijen boşluk konsantrasyonunda bir artış göstererek tane sınır çekirdek içinde Ti koordineli değişiklikleri ortaya koymaktadır. Bu sonuçlar, düşük açılı büküm tane sınırları 25 literatürde raporlarla tutarlıdır. Bu deneylerde daha fazla analizi, başka bir yerde, 26 tarif edilmiştir.
Bu çalışmada, STO bicrystals başarılı bir şekilde SPS cihazı kullanılarak ilk kez sentezlendi. 0 ° büküm yönelimleri, 4 ° ve 45 ° orta bağ sıcaklıkları ve zaman yüksek basınçta oluşmuştur ile Bicrystalsölçekler geleneksel bağ bulunan bu parametreler karşılaştırıldı. SPS aparat aracılığıyla bicrystals oluşumu nicel seçilen tane sınırı çekirdek yapıları üzerinde elektrik alan etkisi yanı sıra ısıtma oranını belirlemek için bir fırsat sağlar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
LH minnetle mali bir Kaliforniya Üniversitesi Laboratuar Ücret ödülü ile desteklenmiştir UC Davis Grant No 1148897. Elektron mikroskobu karakterizasyonu ve SPS işleme altında ABD Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Bursu tarafından mali destek kabul (# 12-LR-238313). Moleküler Döküm Çalışmalar Sözleşme No. DE-AC02-05CH11231 altında ABD Enerji Departmanı, Bilim, Temel Enerji Bilimler Dairesi Başkanlığı tarafından desteklenmiştir.
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).
