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 Apparater Anvendes til dannelse af strontiumtitanat Bicrystals

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

Introduction

Spark plasma sintring (SPS) er en teknik, hvor anvendelse af højt enakset tryk og pulserende jævnstrøm fører til hurtig fortætning af pulver komprimerer en. Denne teknik fører også til en vellykket dannelse af kompositstrukturer af forskellige materialer, herunder siliciumnitrid / siliciumkarbid, zirconium borid / siliciumcarbid eller siliciumcarbid, uden yderligere sintringshjælpemidler krævede 2, 3, 4, 5. Syntesen af ​​disse sammensatte strukturer ved konventionel varmpresning havde været udfordrende i fortiden. Mens anvendelse af en høj enakset tryk og hurtig opvarmning sats via SPS teknik øger konsolidering af pulvere og kompositter, fænomenet forårsager denne forbedrede fortætning debatteret i litteraturen 2, 3,class = "xref"> 6, 7. Der findes også kun begrænset information om indflydelsen af elektriske felter på korn grænse dannelse og de resulterende atomare strukturer af korn grænse kerner 8, 9. Disse centrale strukturer bestemme de funktionelle egenskaber af SPS sintrede materialer, herunder gnist af kondensatorer og den mekaniske styrke og sejhed af keramiske oxider 10. Derfor forstå den grundlæggende korngrænsestruktur som funktion af SPS forarbejdningsparametre, såsom påførte strøm, der er nødvendigt til manipulation af et materiale samlede fysiske egenskaber. En metode til systematisk belyse de fundamentale fysiske mekanismer der ligger til grund SPS er dannelsen af specifikke korn grænse strukturer, dvs, bicrystals. En bicrystal er skabt ved manipulation af to enkelte krystaller, som derefter diffuonen bundet med specifikke misorientation vinkler 11. Denne fremgangsmåde tilvejebringer en kontrolleret måde at undersøge de grundlæggende korngrænsende kernestrukturer som funktion af procesparametre, doteringsmiddel koncentration, og urenhed segregation 12, 13, 14.

Diffusionsbinding er afhængig af fire parametre: temperatur, tid, tryk, og limning atmosfære 15. Konventionel diffusionsbinding af strontium titanate (SrTiO 3, STO) bicrystals typisk forekommer ved et tryk under 1 MPa, inden for et temperaturområde på 1.400-1.500 ° C, og tidsskalaer fra 3 til 20 timer 13, 14, 16, 17. I denne undersøgelse er binding i en SPS apparat opnås på betydeligt lavere temperatur og tidsskalaer i cAMMENLIGNING med konventionelle metoder. For polykrystallinske materialer, reduceret temperatur og tidsskalaer via SPS væsentligt begrænser kornvækst, hvilket giver fordelagtige kontrol af et materiale egenskaber gennem manipulation af sin mikrostruktur.

SPS apparater til en 5 x 5 mm 2 prøve, udøver et tryk på mindst 140 MPa. Inden for den konventionelle diffusionsbinding temperaturområde, Hutt et al. rapportere øjeblikkelig fraktur i STO når limning trykket overstiger 10 MPa 18. Imidlertid STO udviser temperaturafhængig plasticitet adfærd, hvilket indikerer binding tryk kan overstige 10 MPa ved specifikke temperaturer. Above 1200 ° C og under 700 ° C, STO udviser nogle duktilitet, hvor understreger større end 120 MPa kan anvendes uden øjeblikkelige brud af prøven. Inden i det mellemliggende temperaturområde på 700-1200 ° C, STO er sprødt og oplevelser øjeblikkelige brud ved sLokker større end 10 MPa. Ved 800 ° C, STO har mindre deformerbarhed før brud ved spændinger mindre end 200 MPa 19, 20, 21. Derfor skal vælges limning temperaturer for STO bicrystal dannelse via SPS apparat ifølge plasticitet opførsel af materialet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Prøve Udarbejdelse af Single Crystal strontiumtitanat

BEMÆRK: Single krystal STO leveres med en (100) overflade poleret til et spejl finish.

  1. Afsnit STO i 5x5 mm 2 stykker med diamant wire oplevede.
  2. Ultralyd rene prøver ved 50-60 Hz hinanden i bade acetone, isopropanol og methanol i femten minutter hver.
  3. Fjern STO fra methanolbad til straks placere på varmeplade holdt ved en temperatur på 200 ° C. Opvarmning af prøven efter rengøring forhindrer dannelse af fordampning spotting fra alkohol.
  4. Anbring prøverne i ti minutter i pufret flussyre (pH = 4), en 6: 1 opløsning af ammoniumfluorid og 49% flussyre. 22 Denne løsning ætser STO, danner en overvejende (100) TiO2 termineret overflade. Hvis optisk flade side af enkelt krystal har en regnbue patina, har prøven været over-ætset og bør not anvendes.
  5. Efter ti minutter i ætsemidlet opløsningen, skylles prøverne i deioniseret (DI) vand og derefter i isopropanol. Tør med rent hus luft.

2. Bicrystal Dannelse via Spark Plasma Sintring Apparatus

BEMÆRK: 5x5 mm 2 krystal brug en 30 mm grafit diameter dø. Hvis mindre end 30 mm anvendes en matrice med en diameter, den bicrystal katastrofalt brud under limning. Optimal dør størrelse samt pres fra SPS apparatet er meget afhængig af størrelsen af ​​krystallerne.

  1. Placer en 30 mm kreds af grafit papir på en grafit stempel med en 30 mm diameter. Grafit papir forhindrer STO fra binding til grafit stemplet under eksperimentet.
  2. Stable to 5x5 mm2 STO enkelte krystaller med deres optisk flade overflader anbragt vendende indad til dannelse af den bicrystal grænse. Centrere stakken på toppen af ​​grafit papir og stemplet.
  3. Drej den øverste enkelt råbStal omkring <100> akse til en valgt misorientation vinkel. Den <100> akse er vinkelret på den optisk flade overflade af krystal.
  4. Skub grafit dø over stemplet og krystaller. Placer en anden cirkel 30 mm diameter grafit papir og derefter stemplet diameter 30 mm i løbet af de stablede STO krystaller.
  5. Stak de kombinerede stempler og dør onto grafit afstandsstykker i SPS apparat (Figur 1).
  6. Påfør et enakset kraft 3 kN at minimere kontakt modstand ved hjælp betjeningsknapper Z-aksen. Under hele forsøget, skal brugeren holde kraften ved 3 kN via betjeningsknapper z-aksen.
  7. Indsæt k-typen termoelement til grafit matrice ved det lille hul, der er vist i figur 1. Termoelementet strækker sig gennem matricen til prøven.
  8. Indstil kammertryk på SPS apparat til ~ 10 Pa ved hjælp af knapperne vakuum push.
  9. Vælg bond temperatur, tid, og opvarmning satser via programmet instrument control software (tabel 1). Til limning temperatur og tid, bruge en opvarmningshastighed på 70-80 ° C / min og en afkølingshastighed på 50 ° C / min.
  10. Set 12 s på, 2 s off DC puls ved hjælp af instrumentet sintring knappen. En pulserende bias på ~ 4 V og jævnstrøm på ~ 550 A anvendes trinvist til prøven, når programmet er indstillet til at køre.
  11. Tryk på startknappen på maskinen.
  12. Fjern prøven, når programmet slutter. Efter bicrystal formation, vil prøven blive vist grå-sort på grund af det reducerende miljø af SPS apparatet.
  13. Brug en høj temperatur ovn ved en temperatur på 1200 ° C i 140 timer, anvende noget tryk under denne procedure, at anneale og re-oxidere prøven i luft. Annealing parametre blev udvalgt efter tidligere arbejde udført af Hutt et al. hvori bicrystals dannet i højvakuum 13. Efter annealing, prøven afslører et offwhite farve og oxideres.

  1. Tværsnit bicrystal med diamant wire oplevede i 5x1 mm 2 sektioner.
  2. Polske tværsnit prøver med diamant slibning film. Den kornstørrelse på diamant slibning filmen gradvist faldet fra 9 pm til 0,1 um. Skift til mindre kornstørrelse når ridser er de samme over overfladen. Brug en mod uret valsen forslag til 9 um til 6 um lapning film. Brug en mod uret glaspladen bevægelse med en oscillerende prøve hoved for 6 um til 0,1 um lapning film.
  3. Polske tværsnit prøver med kolloid silica i to minutter ved hjælp af en mat klud. Kontinuerligt pour kolloidt silica på måtten med mod uret valsen bevægelse og oscillerende prøve hoved.
  4. Femten sekunder, før du fjerner prøven, stop hælde kolloid silica og hæld DI vand på glaspladen. Hæld DI vand i femten sekunder, fjerne prøven, og straks skylle prøvei DI vand i 1 min. Hvis denne procedure ikke følges, vil det kolloide siliciumdioxid binde prøvens overflade og tilsløre korngrænsen under scanningelektronmikroskopi (SEM).
  5. Når prøven er poleret til en optisk glat overflade, ultralyd rene prøver i træk i bade acetone, isopropanol og methanol i femten minutter hver.
  6. Fjern STO fra methanolbad til straks placere på varmeplade holdt ved en temperatur på 200 ° C. Opvarmning af prøven efter rengøring forhindrer dannelse af fordampning spotting fra alkohol.
  7. Mount prøve poleret overflade op på en prøve stub ved hjælp kolloid grafit.
  8. Sputter coat prøve overflade med 2-3 nm af kulstof. Brug følgende parametre for kulstof coater: en puls opløsning på 0,2 nm / puls, nuværende trin på 0,2 A / puls, puls strøm på 40 A, puls længde på 2 s, og maksimale pulser af 50.

4. Rengøring af FIB Kobber Grid

  1. Placer kobber FIB gitter i et acetone og derefter isopropanol bad i 1 time hver.
  2. Plasma ren kobber FIB gitter i 10 min.

5. Udarbejdelse af Transmission Electron Microscopy (TEM) Lamella via Focused Ion Beam (FIB) Apparatur

BEMÆRK: Alle parametre, der anvendes i FIB forberedelse indtastes eller vælges fra en drop down menu i FIB apparat software.

  1. Placer STO prøve og kobber FIB gitter i FIB apparat. Den fase er på 7 mm.
  2. Find et område af interesse langs grænsefladen mellem de to enkelte krystaller, dvs. kornet grænse.
  3. Vælg mønstret dialogboks. I mønstring Kontrol, vælg rektangel mønster Tool med ansøgning ejendom Ce-dep overflade. Indsæt C-dep for gas injektion. Depositum 15 × 2 × 2 um 3 beskyttende lag af cArbon hjælp af elektronstrålen med en spænding på 5,0 kV, en strøm på 13,0 nA, og en hældningsvinkel 0 °. Træk C-dep.
  4. Vælg mønstret dialogboks. I mønstring Kontrol, vælg rektangel mønster Tool med ansøgning ejendom W-dep. Indsæt W-dep for gas injektion. Deposit 15 × 2 × 2 um 3 beskyttende lag af wolfram hjælp ionstrålen med en spænding på 30,0 kV, en strøm på 0,3 nA, og en hældningsvinkel 52 °. Træk W-dep.
  5. Vælg mønstret dialogboks. I mønstring Kontrol Vælg den periodiske tværsnit mønster Tool med ansøgning ejendom Si. Bruge 22 × 25 × 15 um 3, at bunden mønster og 22 × 27 × 15 pm 3 for den øverste mønster med en spænding på 30,0 kV, en strøm på 30,0 nA, og en hældningsvinkel 52 ° via ionstrålen. Mønstret vil skabe en grøft mølle på begge sider af det beskyttende lag.
  6. Vælg mønstret dialogboks. I mønstring Kontrol Vælg CleanTværsnit mønster Tool med ansøgning ejendom Si. Bruge 22 × 3 × 60 pm 3 for de øverste og nederste mønster med en spænding på 30,0 kV og en strøm på 1,0 nA via ionstrålen. Den hældningsvinkel er 53,5 ° til den nederste mønster og 50,5 ° for den øverste mønster. Mønstret renser overfladen af ​​nedgravet lamel fra curtaining mønster, der følger af den regelmæssige tværsnit mønsterdannelse.
  7. Skær et J-mønster i prøven ved hjælp af rektangel mønster værktøj med ansøgning ejendom Si. Brug 2 um for bredden ved en spænding på 30,0 kV og en strøm på 1,0 nA via ionstrålen.
  8. Vælg Easy Lift dialogboksen. Sæt mikromanipulator til parken position. Sænk mikromanipulator og vedhæfte prøven til kobber FIB risten via en wolfram svejsning ved hjælp af processen beskrevet i 5.4.
  9. Ved at følge trinene beskrevet i 5.7, μcut en U-mønster, fortsætter fra den oprindelige J-mønster i prøven under anvendelse ionstrålen ved en spænding på30,0 kV og en strøm på 1,0 nA.
  10. Løft lamel via mikromanipulator over bulkprøven.
  11. Drej mikromanipulator 180 °, så korngrænsen ikke længere parallelt med ionstrålen, men vinkelret ionstrålen.
  12. Wolfram svejse lamel til en kobber FIB gitter ved at følge trinene beskrevet i 5.4 med ionstrålen med en spænding på 30,0 kV og en strøm på 0,3 nA.
  13. Skær mikromanipulator fra lamellen ved at følge trinene beskrevet i 5.7 med ionstrålen med en spænding på 30,0 kV og en strøm på 1,0 nA.
  14. Gentag trinene beskrevet i 5.3. Deponere en 15 × 2 × 4 um 3 beskyttende lag af carbon under anvendelse af en elektronstråle med en spænding på 5,0 kV, en strøm på 13,0 nA, og en hældningsvinkel 0 °.
  15. Gentag trinene beskrevet i 5.4. Deposit 15 × 2 × 8 um 3 beskyttende lag af wolfram under anvendelse af en ionstråle med en spænding på 30,0 kV, en strøm på 0,3 nA, og en hældningsvinkel 52 °.
  16. Medionstrålen, tynde prøven til ca. 200 nm ved anvendelse af en spænding på 30,0 kV og en systematisk aftagende strøm på 0,5 nA, 0,3 nA, og 0,1 nA. På dette stadium, er en rengøring tværsnit mønster anvendt, og prøven er vippet til en vinkel på 52 ±± 1,5 °.
  17. Med ionstrålen, til at fortynde prøven elektron gennemsigtighed ved anvendelse af en spænding på 5,0 kV og en strøm på 77,0 pA. På dette stadium, er et rektangel mønster, der anvendes med en hældningsvinkel på 52 ± 3 °.
  18. Fjern amorf forvoldte skader fra FIB ved at rense prøven ved en spænding på 500 eV og en strøm på 150 uA.
  19. TEM prøve sted i TEM indehaver og insert holder i scanning transmissions elektron mikroskop (STEM). Vælg 'Capture', billede prøve korn grænse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Limning temperatur, tid, og misorientation vinkel blev alle ændret til at bestemme optimale parametre, der er nødvendige for den maksimalt mulige bundne grænseflade brøkdel af STO bicrystal (tabel 1). Grænsefladen blev betragtet "bundet", når korngrænsen ikke var synlige under SEM imaging (figur 2a). En "ikke-bundet 'interface blev udstillet, da et mørkt billede kontrast eller hulrum var til stede ved grænsen placering (figur 2b). Mørkt billede kontrast betød kolloid grafit fra FIB montering proceduren var diffunderet mellem de to STO krystaller grundet kapillær virkning. Dette ikke-bundne grænseflade observeres ved kanterne af bicrystal, mens observeres det bundne grænseflade i centrum af bicrystal. Ændringen i limning adfærd fra kanten til midten af ​​bicrystals dannet af SPS apparat ses også i bicrystals dannet via varmpresning techniques 6.

Micro-revnedannelser i hovedparten af ​​bicrystal er observeret i alle prøver. For med held bundet bicrystals, er mikro-revnedannelse ikke forstyrre den bundne interface. Ved en limning temperatur på 1200 ° C, omfattende mikro-revnedannelse, hvilket fører til skørt brud af bicrystal under udglødning. Derfor blev bindingstemperatur i SPS apparatet holdes under 800 ° C for at forhindre katastrofale brud.

For bicrystals med 0 ° misorientation vinkel ved limning temperaturer på 600 ° C og 700 ° C blev en 95% succes bundet grænseflade opnået. En stigning i misorientation vinkel bicrystal til 44,4 ° kræver en binding temperatur på 800 ° C og limning på 90 minutter for at opnå en 45,8% held bundet interface. Høj opløsning TEM (HRTEM) og høj vinkel ringformet mørk feltscanning transmissionselektronmikroskopi (HAADF-STEM) mikrografier af denne prøve viser en atomisk brat korngrænsestruktur uden interkrystallinsk film eller sekundære faser til stede (figur 3). Rumligt opløst elektron energitab spektroskopi (EELS) registreres direkte fra grænsefladen viser en reduktion i krystallen felt opdeling af Ti L 3 og L 2 kanter samt en reduktion i OK kant intensitet sammenlignet med størstedelen (figur 4) .

Bicrystal Twist Orientering (°) Bond Temperatur (° C) Bond Tid (min) Annealer Temperatur (° C) Annealing Time (h) Bonded Grænseflade ± 0,3 (%)
EN 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

Tabel 1. Limning parametre og efterfølgende interface Fraktion af Bicrystals. SPS apparatdiffusion bonding parametre og efterfølgende bundne grænseflade fraktioner af STO bicrystals. En pulserende forspænding på ~ 4 V og jævnstrøm på ~ 550 A anvendes til alle eksperimenter. Bonded grænseflade fraktioner blev beregnet ud fra en gennemsnitlig korn grænse længde (1,5 ± 0,4) mm. Disse regioner blev taget fra forskellige områder i bicrystal.

figur 1
Figur 1. Spark Plasma Sintring Apparatus. Opsætning for gnist plasma sintring apparatet. Tryk påføres vinkelret på bicrystal interface. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Typiske Interfaces Fundet i SPS ApParatus Dannet Bicrystals. Nominel 45 ° twist bicrystal dannet ved en temperatur på 800 ° C i 90 minutter. (A) SEM billede af definerede "bundet 'interface, er korngrænsen placering udledes ved tilstedeværelsen af en facetteret tomrum, og (b) SEM billede af den definerede" ikke-bundet "interface. Sfæriske perler observeret i billeder er resterende silica fra polering. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. High Resolution Imaging af Bicrystal Grain Boundary. Grænse af nominelt 45 ° twist bicrystal dannet ved en temperatur på 800 ° C i 90 minutter, der er optaget i <100> zoneakse med en kant-mod orientering for grænsefladen flyet. ( (b) HRSTEM DF billede og (c) struktur model sammensat af to enkelte krystaller, en i <100> og en i <110> zoneakse orientering med en {001} grænseflade plan. Afvigelserne af de eksperimentelle billeddata fra den forventede struktur model repræsenterer ændringer i grænsefladen konfiguration sammenlignet med de ideelle single-crystal atom positioner. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Struktur og kemi Bicrystal Grain Boundary. Nær kanten finstruktur (a) Ti L 2,3 kant og (b) OK kant taget på grænsen og hovedparten af 45 ° twist bicrystal dannet ved en temperatur på 800° C i 90 minutter. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. FIB Milling på Bicrystal Grain Boundary. HRTEM billeder af FIB TEM lamel af (a) prøve med korn grænse parallelt med ionstrålen og (b) prøve med korngrænse vinkelret ionstrålen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bindingen temperatur på 1200 ° C blev valgt for at maksimere diffusion som små ændringer i temperatur i høj grad kan påvirke kinetikken for alle diffusionsbinding mekanismer. En temperatur på 1200 ° C ligger uden for brittle-duktilt overgang temperaturområde på STO. Men prøven gennemgik sprødbrud ved denne temperatur. Den katastrofale svigt af STO bicrystal var ikke uventet, da STO har ~ 0,5% sejhed ved 1200 ° C. Også blev prøven holdt ved et tryk på 140 MPa i hele opvarmningsprocessen og STO overgange gennem sin sprøde trin under denne opvarmningsprocessen, hvor den har 0% duktilitet 21. Således vellykket diffusion limning af enkelte krystaller via SPS apparat nødvendiggør en dybtgående forståelse af temperaturafhængige plasticitet opførsel af et materiale.

To bicrystals blev dannet ved anvendelse af en binding temperatur på 800 ° C og en binding på 20 minutter. Detbicrystal med en nominel misorientation af 4˚ blev udglødet i 50 timer og udviste et bundet grænseflade fraktion 2.2x større end bicrystal med nominelle misorientation på 45 °, udglødet i 140 timer. Annealing gange længere end 50 timer viste ikke nogen væsentlig forbedring af kvaliteten diffusionsbonding. Annealingstemperatur og tid blev udvalgt efter tidligere arbejde, hvor bicrystals blev dannet i et højt vakuum ovn, svarende til SPS apparatet 11. For at konstatere, om der var en effekt af udglødningsprocessen på diffusionsbonding af disse bicrystals blev længder diffusion bond beregnet og fundet at være 0,27 nm ved en temperatur på 1200 ° C i 140 timer 23. De valgte annealing parametre derfor kun havde begrænset indvirkning på diffusionsbonding af bicrystal. Denne analyse blev yderligere understøttet når diffusionsbonding af en bicrystal med en 45 ° drejning misorientation ikke varsucces for de samme parametre anvendes under udglødning.

Mens de udvalgte udglødning parametre ikke signifikant indflydelse på diffusionsbonding, har misorientation vinkel har en udtalt effekt. Høj vinkel misorientation vinkler skabe en større strukturelle misforhold mellem de to halve krystaller, som hindrer cross diffusion og nedsætter grænseflade limning. Ved høje misorientation vinkler, skal bindingstemperatur og tid øges med henblik på at få større succes bundet grænseflade fraktion.

Bicrystal dannelse via SPS behandlingsteknikker forekommer ved betydeligt accelererede gange skalaer og moderate temperaturområder i forhold til de konventionelle varme presse metoder. Denne forskel i procesparametre mellem konventionel diffusionsbinding og SPS fremgangsmåde ses også i dannelsen af ​​pudder og kompositmaterialer. Som nævnt ovenfor bicrystals dannet via traditionelle diffusion bindingsmetoderer dannet ved temperaturer over 1400 ° C med tider målestok der varierer fra 3 til 20 timer 11, 24. Ved hjælp af en SPS instrument, diffusionsbonding sker ved en temperatur på 800 ° C med tider målestok der varierer fra 20 til 90 minutter. SPS teknik er så anvendelig til hurtig diffusion bonding af bicrystals sammenlignet med konventionelle metoder. Bicrystal dannelse af SPS instrument giver også mulighed for eksperimentel observation af masse transfer mekanismer de på en korn grænse med en valgt misorientation. Denne eksperimentelle observation vil give mere indsigt i de mekanismer, der ligger til grund SPS teknik.

Micro-revner i bulk STO bicrystal forhindrede konventionel mekanisk forberedelse TEM lamel. Den mekaniske udtynding proces førte til brud på TEM lamel grund mikrorevner spreder hele bulk. Derfor blev FIB fremstilling af TEM lamel anvendes. Konventionel FIB lIFT-ud af lamellen, hvori korngrænsen er parallel med ionstrålen, førte til præferentiel formaling langs grænsefladen plan (figur 5a). Den FIB forberedelse teknik blev senere ændret. Først blev tykkelsen af ​​den oprindelige beskyttende lag af kulstof og wolfram udvalgt således, ved slutningen af ​​elevatoren-out trin blev det beskyttende lag fræset væk. Hvis det beskyttende lag var for tyk og forblev i hele udtynding proces, re-aflejring af wolfram er indtruffet, og tilsløret TEM-analyse. For det andet, efter TEM lamel blev fastgjort til spidsen af ​​mikromanipulator blev mikromanipulator roteret 180 °. Denne rotation forårsaget korngrænsen at blive vinkelret ionstrålen, dermed forhindre præferentiel udtynding (figur 5b). Endelig efter løftet-ud-processen, beskyttende lag af kulstof og wolfram blev aflejret på overfladen af ​​den nyligt orienteret TEM lamel. Disse ændringer af konventionelle FIB preparation teknik førte til en ren TEM lamel muliggør atomisk opløsning billeddannelse af HAADF-STEM.

HRTEM og HAADF-STEM micrographs for bicrystal bundet ved 800 ° C i 90 minutter med en nominel 45 ° twist korngrænse viser en atomisk løst korngrænsestruktur uden sekundære faser. Rumligt opløst EELS afsløre ændringer i koordineringen Ti inden korngrænsen kerner, hvilket indikerer en stigning i oxygen ledig koncentrationen sammenlignet med bulk. Disse resultater er i overensstemmelse med rapporter i litteraturen for lav-vinkel twist korngrænser 25. Yderligere analyse af disse eksperimenter er beskrevet andetsteds 26.

I denne undersøgelse blev STO bicrystals held syntetiseret for første gang ved hjælp af en SPS apparat. Bicrystals med twist orienteringer af 0 °, 4 °, og 45 ° blev dannet ved højt tryk med moderate limning temperaturer og tidskalaer sammenlignet med de parametre, der findes i konventionelle binding. Dannelse af bicrystals via SPS apparatet giver mulighed for kvantitativt at bestemme virkningen af ​​elektrisk felt samt opvarmning sats på udvalgte korn grænsen kernestrukturer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

LH taknemmelig finansiel støtte fra en US National Science Foundation Graduate Research Fellowship under Grant nr 1148897. Elektronmikroskopi karakterisering og SPS behandling på UC Davis blev støttet af en University of California Laboratory Fee award (# 12-LR-238.313). Arbejde på Molekylær Foundry blev støttet af Ministeriet for Videnskab, Office of Basic Energi Videnskaber, af det amerikanske Department of Energy under kontrakt nr 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 grænse bicrystal elektrisk felt gnist plasma sintring strontium titanate scanning transmission elektronmikroskopi
Spark Plasma Sintring Apparater Anvendes til dannelse af strontiumtitanat 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