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Engineering

Spark Plasma Sintering apparecchio utilizzato per la formazione di titanato di stronzio Bicrystals

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

Introduction

Sinterizzazione Spark plasma (SPS) è una tecnica in cui l'applicazione di alta pressione uniassiale e pulsati cavi in corrente continua al rapido addensamento di polvere compatta 1. Questa tecnica porta anche alla formazione di successo di strutture composite da vari materiali, tra nitruro di silicio / carburo di silicio, zirconio boruro / carburo di silicio, carburo di silicio o, in mancanza di aiuti sinterizzazione aggiuntivi necessari 2, 3, 4, 5. La sintesi di queste strutture composite convenzionale di pressatura a caldo era stato impegnativo in passato. Mentre l'applicazione di alta pressione uniassiale e velocità di riscaldamento veloce tramite la tecnica SPS migliora consolidamento delle polveri e compositi, il fenomeno causa questo maggiore densificazione dibattuto in letteratura 2, 3,class = "xref"> 6, 7. Esiste anche solo informazioni limitate per quanto riguarda l'influenza dei campi elettrici sulla formazione bordo grano e le risultanti strutture atomiche di core bordo di grano 8, 9. Queste strutture di base determinano le proprietà funzionali di SPS materiali sinterizzati, tra cui scintilla di condensatori ad alta tensione e la resistenza meccanica e la durezza di ossidi ceramici 10. Pertanto, la comprensione della struttura bordo grano fondamentale in funzione dei parametri di processo SPS, come corrente applicata, è necessario per la manipolazione delle proprietà fisiche globali di un materiale. Un metodo per chiarire sistematicamente i meccanismi fisici fondamentali relativi SPS è la formazione di strutture di confine dei grani specifici, cioè, bicrystals. Un bicrystal viene creato manipolazione dei due cristalli singoli, che sono poi diffusione legato con particolare misorientation angoli 11. Questo metodo fornisce un modo controllato per indagare le fondamentali strutture principali bordo di grano in funzione dei parametri di processo, concentrazione di drogante, ed impurità separazione 12, 13, 14.

Saldatura per diffusione dipende quattro parametri: temperatura, tempo, pressione, e l'atmosfera incollaggio 15. Convenzionale saldatura per diffusione di titanato di stronzio (SrTiO 3, STO) bicrystals tipicamente avviene ad una pressione inferiore a 1 MPa, ad una temperatura di 1400-1500 ° C, e scale temporali che vanno da 3 a 20 ore 13, 14, 16, 17. In questo studio, bonding in un apparato SPS viene raggiunto a significativamente inferiori scale di temperatura e tempo in cONFRONTO ai metodi convenzionali. Per i materiali policristallini, ridotta temperatura e tempo scale tramite SPS limita significativamente la crescita del grano, fornendo in tal modo il controllo vantaggiosa di proprietà di un materiale attraverso la manipolazione della sua microstruttura.

L'apparecchiatura SPS, per un campione di 5 × 5 mm 2, esercita una pressione minima di 140 MPa. Nell'intervallo di temperatura diffusion bonding convenzionale, Hutt et al. segnalare frattura istantanea STO quando la pressione di legame supera i 10 MPa 18. Tuttavia, STO mostra temperatura comportamento dipendente plasticità, che indica la pressione di incollaggio può superare il 10 MPa a temperature specifiche. Sopra 1.200 ° C e sotto i 700 ° C, STO espone alcuni duttilità, in cui sottolinea superiore a 120 MPa può essere applicato senza frattura istantanea del campione. All'interno della gamma di temperatura intermedia di 700-1,200 ° C, STO è fragile e le esperienze frattura istantanea a strecce maggiore di 10 MPa. A 800 ° C, STO ha deformabilità minore prima della frattura a tensioni inferiori a 200 MPa 19, 20, 21. Quindi, le temperature di legame per la formazione STO bicrystal tramite apparecchi SPS devono essere selezionati in base al comportamento plasticità del materiale.

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Protocol

1. Preparazione del campione di singolo cristallo titanato di stronzio

NOTA: STO cristallo singolo è fornito con un (100) di superficie lucidata a specchio.

  1. Sezione STO in 5x5 mm 2 pezzi con del filo diamantato.
  2. Con ultrasuoni campioni pulite a 50-60 Hz consecutivamente in bagni di acetone, isopropanolo, e metanolo per quindici minuti ciascuno.
  3. Rimuovere STO da bagno di metanolo di mettere immediatamente sul piatto caldo tenuto a una temperatura di 200 ° C. Riscaldamento del campione dopo pulizia impedisce la formazione di evaporazione macchia dall'alcool.
  4. Posizionare i campioni per dieci minuti in acido fluoridrico tamponata (pH = 4), 6: 1 soluzione di fluoruro di ammonio e acido fluoridrico 49%. 22 Questa soluzione incide la STO, formando una (100) TiO 2 superficie prevalentemente terminato. Se il lato otticamente piatta del singolo cristallo ha una patina arcobaleno, il campione è stato più incisi e dovrebbe not essere utilizzato.
  5. Dopo dieci minuti nella soluzione mordenzante, risciacquare campioni in acqua deionizzata (DI) e quindi in isopropanolo. Asciugare con aria casa pulita.

2. Formazione Bicrystal via Spark Plasma Sintering Apparatus

NOTA: per 5x5 mm 2 uso di cristallo di 30 mm di diametro stampo grafite. Se si utilizza uno stampo con un diametro inferiore a 30 mm, il bicrystal fratture catastroficamente durante il legame. dimensioni del die ottimale così come la pressione esercitata dalla apparecchiatura SPS è fortemente dipendente dalla dimensione dei cristalli.

  1. Inserire un cerchio 30 mm di carta grafite su un pistone di grafite con un diametro di 30 mm. carta Graphite impedisce STO dal legame al pistone di grafite durante l'esperimento.
  2. Stack due cristalli singoli mm 2 STO 5x5 con le loro superfici otticamente sottili, sistemati rivolto verso l'interno per formare il confine bicrystal. Centrare la pila sopra del foglio di grafite e stantuffo.
  3. Ruotare la parte superiore solo gridostal intorno al <100> asse per un angolo di misorientation scelta. Il <100> asse è perpendicolare alla superficie otticamente piatta di cristallo.
  4. Far scorrere il dado di grafite sopra il pistone e cristalli. Posizionare un secondo cerchio di 30 millimetri di diametro di carta grafite e poi 30 millimetri di diametro del pistone nel corso dei cristalli STO impilati.
  5. Stack i pistoni combinati e morire sui distanziatori di grafite in apparato SPS (Figura 1).
  6. Applicare una forza monoassiale di 3 kN per ridurre al minimo la resistenza di contatto tramite i pulsanti di controllo z. Durante l'esperimento, l'utente deve mantenere la forza a 3 kN tramite i pulsanti di controllo asse z.
  7. Inserire k termocoppia di tipo in stampo di grafite al piccolo foro, mostrato in Figura 1. La termocoppia si estende attraverso il dado per il campione.
  8. Impostare la pressione nella camera dell'apparato SPS a ~ 10 Pa utilizzando i pulsanti di vuoto di spinta.
  9. Selezionare la temperatura legame, di tempo, di riscaldamento e tariffe tramite strumento programma di cosoftware ntrol (Tabella 1). Per la temperatura e il tempo di incollaggio, utilizzare una velocità di riscaldamento di 70-80 ° C / min e una velocità di raffreddamento di 50 ° C / min.
  10. Set 12 s su, 2 s al largo impulso DC utilizzando lo strumento pulsante di sinterizzazione. Un bias pulsata di ~ 4 V e corrente continua di ~ 550 A vengono applicate in modo incrementale al campione una volta che il programma è impostato per funzionare.
  11. Premere il pulsante di avvio della macchina.
  12. Rimuovere il campione quando il programma termina. Dopo la formazione bicrystal, il campione apparirà grigio-nero a causa dell'ambiente riduzione dell'apparato SPS.
  13. Utilizzare un forno ad alta temperatura ad una temperatura di 1200 ° C per 140 h, applicare pressione durante questa procedura, per temprare e ri-ossidare il campione in aria. Parametri di ricottura sono stati selezionati in base al precedente lavoro fatto da Hutt et al. in cui bicrystals formata in alto vuoto 13. Dopo la ricottura, il campione rivela un colore biancastro ed è ossidato.

  1. Sezione bicrystal con filo diamantato in 5x1 mm 2 sezioni.
  2. campioni di cross-sezione polacca con film di diamante lappatura. La grana del film di diamante lappatura è gradualmente diminuito da 9 micron a 0,1 micron. Passare alla più piccola grana volta graffi sono uniformi su tutta la superficie. Utilizzare un movimento piastra in senso antiorario per 9 micron a 6 micron lambiscono pellicola. Utilizzare un movimento piastra in senso antiorario con una testa oscillante campione di 6 micron a 0,1 micron film di lappatura.
  3. campioni di cross-sezione polacca con silice colloidale per due minuti con un panno opaco. Continuamente versare silice colloidale sul tappeto con movimento antiorario della piastra e la testa del campione oscillante.
  4. Quindici secondi prima di rimuovere il campione, smettere di versare silice colloidale e versare acqua deionizzata sulla piastra. Versare acqua deionizzata per quindici secondi, togliere campione, e sciacquare subito campionein acqua deionizzata per 1 min. Se questa procedura non è seguita, la silice colloidale legherà superficie del campione e oscurare bordo di grano durante microscopia elettronica a scansione (SEM).
  5. Una volta che il campione è lucidata ad una superficie otticamente liscia, campioni ultrasuoni puliti consecutivamente in bagni di acetone, isopropanolo, metanolo e per quindici minuti ciascuno.
  6. Rimuovere STO da bagno di metanolo di mettere immediatamente sul piatto caldo tenuto a una temperatura di 200 ° C. Riscaldamento del campione dopo pulizia impedisce la formazione di evaporazione macchia dall'alcool.
  7. campione montaggio superficiale ripulito su un stub campione utilizzando la grafite colloidale.
  8. Polverizzazione catodica superficie del campione cappotto con 2-3 nm di carbonio. Utilizzare i seguenti parametri per il dispositivo a induzione di carbonio: risoluzione impulso di 0,2 nm / impulso, tasso di passo corrente di 0,2 A / impulso, impulso di corrente di 40 A, lunghezza di impulso di 2 s, e gli impulsi massimo di 50.

4. Pulizia del rame griglia FIB

  1. Posizionare rame griglia FIB in un bagno di isopropanolo acetone e poi per 1 h ciascuna.
  2. Plasma griglia FIB rame pulito per 10 min.

5. Preparazione di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) lamelle via Focused Ion Beam (FIB) Apparato

NOTA: Tutti i parametri utilizzati per la preparazione FIB sono digitato o selezionato da un menu a tendina nel software dell'apparato FIB.

  1. Collocare il campione STO e la griglia FIB di rame in un apparecchio FIB. Lo stadio è a 7 mm.
  2. Trova una regione di interesse lungo l'interfaccia tra i due cristalli singoli, cioè, il bordo di grano.
  3. Selezionare la casella di dialogo Patterning. In Patterning di controllo, selezionare la Patterning strumento Rettangolo con superficie di Ce-dep proprietà dell'applicazione. Inserire C-dep per l'iniezione di gas. Depositare un 15 × 2 × 2 micron 3 strato protettivo di carbon utilizzando il fascio di elettroni ad una tensione di 5,0 kV, una corrente di 13,0 nA, e un angolo di inclinazione di 0 °. Ritrarre C-dep.
  4. Selezionare la casella di dialogo Patterning. In Patterning di controllo, selezionare la Patterning strumento Rettangolo con la proprietà di applicazione W-dep. Inserire W-dep per l'iniezione di gas. Cassetta 15 × 2 × 2 micron 3 strato protettivo di tungsteno utilizzare il fascio di ioni ad una tensione di 30,0 kV, una corrente di 0,3 nA, e un angolo di inclinazione di 52 °. Ritrarre W-dep.
  5. Selezionare la casella di dialogo Patterning. In Patterning di controllo, selezionare il regolare Sezione trasversale Patterning strumento con la proprietà di applicazione Si. Utilizzare 22 × 25 × 15 micron 3 per il pattern fondo e di 22 × 27 × 15 micron 3 per il modello superiore ad una tensione di 30,0 kV, una corrente di 30,0 nA, e un angolo di inclinazione di 52 ° mediante il fascio di ioni. Il pattern creerà un mulino trench su entrambi i lati dello strato protettivo.
  6. Selezionare la casella di dialogo Patterning. In Patterning di controllo, selezionare il CleanSezione trasversale Patterning strumento con la proprietà di applicazione Si. Utilizzare 22 × 3 × 60 micron 3 per il modello superiore e inferiore ad una tensione di 30,0 kV e una corrente di 1,0 nA tramite fascio di ioni. L'angolo di inclinazione è 53,5 ° per il modello di fondo e 50,5 ° per il modello superiore. Il modello pulisce la superficie della lamella trincerato dal modello tendaggi che risulta dalla regolare patterning sezione trasversale.
  7. Tagliare un J-modello nel campione usando lo strumento Patterning rettangolo con proprietà dell'applicazione Si. Utilizzare 2 micron per la larghezza ad una tensione di 30,0 kV e una corrente di 1,0 nA tramite fascio di ioni.
  8. Selezionare la casella di dialogo Ascensore facile. Inserire il micromanipolatore in posizione di parcheggio. Abbassare micromanipolatore e collegare il campione alla griglia FIB rame tramite una saldatura di tungsteno utilizzando il processo descritto in 5.4.
  9. Utilizzando le procedure descritte in 5.7, μcut U-pattern, continuando dal J-modello originale, nel campione utilizzando il fascio di ioni ad una tensione di30,0 kV e una corrente di 1,0 nA.
  10. Sollevare il lamelle tramite micromanipolatore al di sopra del campione globale.
  11. Ruotare micromanipolatore 180 °, in modo che il bordo grano non è più parallelo al fascio di ioni, ma perpendicolare al fascio di ioni.
  12. Tungsteno saldare lamella di una griglia di rame FIB utilizzando le procedure descritte in 5.4 con fascio di ioni ad una tensione di 30,0 kV e una corrente di 0,3 nA.
  13. Tagliare il micromanipolatore dalla lamella utilizzando le procedure descritte in 5.7 con fascio di ioni ad una tensione di 30,0 kV e una corrente di 1,0 nA.
  14. Ripetere i passaggi descritti in 5.3. Depositare uno strato 15 × 2 × 4 micron 3 protettivo di carbonio utilizzando un fascio di elettroni ad una tensione di 5,0 kV, una corrente di 13,0 nA, e un angolo di inclinazione di 0 °.
  15. Ripetere i passaggi descritti in 5.4. Cassetta 15 × 2 × 8 micron 3 strato protettivo di tungsteno con un fascio di ioni ad una tensione di 30,0 kV, una corrente di 0,3 nA, e un angolo di inclinazione di 52 °.
  16. Confascio di ioni, sottile il campione a circa 200 nm con una tensione di 30,0 kV e una corrente discendente sistematicamente di 0,5 nA, 0,3 nA, e 0,1 nA. In questa fase, uno schema in sezione trasversale di pulizia viene utilizzato e il campione è inclinato ad un angolo di 52 ° ±± 1.5.
  17. Con il fascio ionico, sottile campione di elettroni trasparenza con una tensione di 5,0 kV e una corrente di 77,0 pA. In questa fase, un modello rettangolo viene utilizzato con un angolo di inclinazione di 52 ± 3 °.
  18. Rimuovere danni amorfa sostenute dalla FIB pulendo il campione ad una tensione di 500 eV e una corrente di 150 μA.
  19. Collocare il campione TEM a TEM supporto e inserire titolare nel microscopio elettronico a trasmissione scansione (STEM). Seleziona 'Capture', campione di immagine bordo di grano.

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Representative Results

Temperatura di collegamento, il tempo, e l'angolo misorientation erano alterati per determinare i parametri ottimali necessari per la frazione massima interfaccia bonded possibile del bicrystal STO (Tabella 1). L'interfaccia è stata considerata 'legato' quando il bordo grano non era visibile durante l'imaging SEM (Figura 2a). Un'interfaccia 'non-bonded' stato esposto quando erano presenti nel luogo di confine (Figura 2b) un contrasto dell'immagine scura o vuoti. Scuro contrasto dell'immagine significava grafite colloidale dalla procedura di montaggio FIB era diffusa tra i due cristalli STO a causa di effetti capillari. Questa interfaccia non-bonded si osserva ai bordi del bicrystal, mentre l'interfaccia bonded si osserva al centro della bicrystal. Il cambiamento nel comportamento di incollaggio dal bordo al centro delle bicrystals formate da apparato SPS è visto anche in bicrystals formate tramite hot techniqu pressaturaes 6.

la formazione di micro-fessura nella maggior parte del bicrystal si osserva in tutti i campioni. Per bicrystals incollati con successo, la formazione di micro-crack non interferisce con l'interfaccia bonded. Ad una temperatura di collegamento di 1200 ° C, vasta micro-crepe si verifica, con conseguente rottura fragile del bicrystal durante la ricottura. Pertanto, la temperatura bonding nell'apparato SPS è stata mantenuta al di sotto di 800 ° C per evitare la frattura catastrofica.

Per bicrystals con 0 ° Angolo misorientation a temperature di legame di 600 ° C e 700 ° C, un'interfaccia bonded successo 95% è stata ottenuta. Un aumento dell'angolo misorientation del bicrystal al 44,4 ° richiede una temperatura di collegamento di 800 ° C e incollaggio di tempo di 90 minuti per ottenere una interfaccia bonded successo 45,8%. TEM ad alta risoluzione (HRTEM) e alta anulare angolo di campo scuromicroscopia a scansione elettronica a trasmissione (HAADF-STEM) micrografie di questo campione rivelano una struttura bordo di grano atomicamente brusco con nessun film intergranulare o fasi secondarie presenti (Figura 3). Spazialmente risolto elettroni perdita di energia spettroscopia (EELS) registrate direttamente dall'interfaccia mostra una riduzione del campo di cristallo scissione dei Ti L 3 e L 2 spigoli nonché una riduzione dell'intensità bordo OK rispetto al bulk (figura 4) .

Bicrystal Twist Orientamento (°) Legame Temperatura (° C) Legame Tempo (min) Ricottura Temperatura (° C) Ricottura Tempo (h) Interfaccia Bonded ± 0,3 (%)
UN 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
sol 44.4 ± 0.1 800 90 1.200 140 45.8

Tabella 1. Parametri incollaggio e la successiva frazione di interfaccia di Bicrystals. apparecchio SPSparametri di saldatura per diffusione e successive frazioni di interfaccia incollati su bicrystals Sto. Una tensione di polarizzazione pulsata di ~ 4 V e corrente di ~ 550 A viene applicato per tutti gli esperimenti. frazioni di interfaccia Bonded sono stati calcolati da una lunghezza media del grano confine di (1,5 ± 0,4) mm. Queste regioni sono state prese da aree diverse all'interno del bicrystal.

Figura 1
Figura 1. Spark Plasma Sintering Apparatus. Impostare per l'apparato di sinterizzazione plasma scintilla. La pressione viene applicata perpendicolarmente all'interfaccia bicrystal. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

figura 2
Figura 2. Le interfacce tipiche Trovato a SPS Apparatus Formata Bicrystals. Nominale 45 ° torsione bicrystal formata ad una temperatura di 800 ° C per 90 minuti. (A) SEM immagine di interfacce definite 'bonded', la posizione bordo grano viene dedotta dalla presenza di un vuoto sfaccettato, e (b) l'immagine SEM dell'interfaccia definito 'non-bonded'. perle sferiche osservate nelle immagini sono silice residui da lucidatura. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3. High Resolution Imaging di Bicrystal Grain Boundary. Barriera di nominale bicrystal 45 ° torsione formata ad una temperatura di 800 ° C per 90 minuti registrato in <100> assi zona con un bordo-on orientamento del piano di interfaccia. ( (b) immagine HRSTEM DF, e (c) il modello struttura composta da due cristalli singoli, in <100> e uno in <110> orientamento dell'asse zona con un piano {001} interfaccia. Le deviazioni dei dati di imaging sperimentali dal modello di struttura progettata rappresentano le modifiche della configurazione dell'interfaccia rispetto alle posizioni ideali atomo singolo cristallo. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4. Struttura e chimica della Bicrystal Grain Boundary. Vicino bordo struttura fine di (a) il 2,3 bordo Ti L e (b) il bordo OK scattata al contorno ed il grosso del 45 ° torsione bicrystal formata ad una temperatura di 800° C per 90 minuti. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5. FIB fresatura a Bicrystal Grain Boundary. Immagini HRTEM di FIB TEM lamelle di (a) campione con bordo grano parallelo al fascio di ioni e (b) campione con bordo di grano perpendicolare al fascio di ioni. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

La temperatura di collegamento di 1200 ° C è stato scelto per massimizzare diffusione come piccole variazioni di temperatura possono influenzare notevolmente la cinetica di tutti i meccanismi di diffusione incollaggio. Una temperatura di 1200 ° C è fuori dal fragile-duttile di temperatura di transizione di STO. Tuttavia, il campione sottoposto rottura fragile a questa temperatura. Il fallimento catastrofico del bicrystal STO non era inaspettato come STO ha ~ 0,5% duttilità a 1200 ° C. Inoltre, il campione è stato tenuto ad una pressione di 140 MPa durante il processo di riscaldamento e STO transizioni attraverso la fase fragile durante questo processo di riscaldamento in cui ha 0% duttilità 21. Così successo saldatura per diffusione di monocristalli tramite l'apparato SPS richiede una comprensione approfondita della temperatura comportamento plasticità dipendente di un materiale.

Due bicrystals sono formati utilizzando una temperatura di legame di 800 ° C e un tempo di incollaggio di 20 minuti. Ilbicrystal con misorientation nominale di 4˚ stato ricotto per 50 ore ed esposto un 2.2x frazione interfaccia bonded maggiore della bicrystal con misorientation nominale di 45 °, ricotto per 140 ore. volte ricottura più lunghi di 50 ore non hanno evidenziato alcun miglioramento significativo della qualità saldatura per diffusione. Temperatura e tempo di ricottura sono stati selezionati secondo lavoro precedente in cui sono formate le bicrystals in un forno sotto vuoto spinto, simile all'apparecchio SPS 11. Per verificare se vi è stato un impatto del processo di ricottura sulla saldatura per diffusione di questi bicrystals, lunghezze di legame diffusione sono stati calcolati e riscontrati 0,27 nm ad una temperatura di 1200 ° C per 140 ore 23. I parametri di ricottura selezionati, quindi, hanno avuto solo un impatto limitato sulla saldatura per diffusione della bicrystal. Questa analisi è stata ulteriormente supportata quando la saldatura per diffusione di un bicrystal con un misorientation 45 ° torsione non erasuccesso per gli stessi parametri utilizzati durante la ricottura.

Mentre i parametri selezionati ricottura non impatto significativo la saldatura per diffusione, l'angolo misorientation non ha un effetto pronunciato. angoli misorientation-alto angolo creano un maggiore squilibrio strutturale tra i due mezzi cristalli, che ostacola la diffusione trasversale e diminuisce l'interfaccia di legame. Per angoli alti misorientation, temperatura e tempo di incollaggio deve essere aumentata in modo da avere una frazione interfaccia bonded successo più grande.

formazione Bicrystal tramite tecniche di lavorazione SPS si verifica a volte significativamente accelerati scale e intervalli di temperatura moderata rispetto ai metodi di stampa a caldo convenzionali. Questa differenza di parametri di lavorazione tra la saldatura per diffusione convenzionale e il metodo SPS si vede anche nella formazione di portacipria e compositi. Come accennato in precedenza, bicrystals formata tramite metodi convenzionali diffusion bondingsi formano a temperature superiori a 1400 ° C con tempi di scale che vanno da 3 a 20 ore 11, 24. Utilizzando uno strumento SPS, saldatura per diffusione avviene ad una temperatura di 800 ° C con tempi di scale che vanno da 20 a 90 minuti. La tecnica SPS è quindi utile per la saldatura per diffusione rapida di bicrystals rispetto ai metodi convenzionali. formazione Bicrystal dallo strumento SPS consente anche di osservazione sperimentale dei meccanismi di trasferimento di massa a bordo grano con misorientation selezionato. Questa osservazione sperimentale fornirà un quadro più chiaro dei meccanismi alla base della tecnica SPS.

Micro-crepe nella bicrystal STO massa impedito convenzionale preparazione meccanica TEM lamelle. Il processo di assottigliamento meccanico ha portato alla frattura del lamelle TEM a causa di microfessure diffondendo in tutta la massa. Pertanto, è stato utilizzato FIB preparazione della lamelle TEM. Convenzionale FIB lift-out della lamella, in cui il bordo di grano è parallelo al fascio di ioni, portato alla fresatura preferenziale lungo il piano di interfaccia (figura 5a). La tecnica di preparazione FIB è stata successivamente modificata. Innanzitutto, lo spessore dello strato protettivo iniziale di carbonio e tungsteno è stato scelto in modo, al termine della fase di lift-out, lo strato protettivo è stato macinato distanza. Se lo strato protettivo era troppo spessa e rimase tutto il processo di assottigliamento, ri-deposizione di tungsteno è verificato e oscurato analisi TEM. In secondo luogo, dopo l'lamelle TEM era attaccato alla punta del micromanipolatore, micromanipolatore è stata ruotata di 180 °. Questa rotazione causato bordo di grano di diventare perpendicolare al fascio di ioni, impedendo quindi assottigliamento preferenziale (figura 5b). Infine, dopo il processo di lift-out, strati protettivi di carbonio e tungsteno sono stati depositati sulla superficie della lamella TEM appena oriented. Queste modifiche al pr FIB convenzionaletecnica eparation ha portato ad una lamella TEM pulito che consente di imaging risoluzione atomicamente dalla HAADF-STEM.

HRTEM e HAADF-STEM micrografie per la bicrystal legato a 800 ° C per 90 minuti con un valore nominale di 45 ° bordo di grano torsione mostrano una struttura di bordo di grano atomicamente risolto senza fasi secondarie. Spazialmente EELS risolti rivelano cambiamenti nel coordinamento Ti nei nuclei bordo di grano, indicando un aumento della concentrazione di ossigeno vacante rispetto alla massa. Questi risultati sono coerenti con i rapporti in letteratura per basso angolo bordi di grano torsione 25. Ulteriori analisi di questi esperimenti è descritto altrove 26.

In questo studio, bicrystals STO sono stati sintetizzati con successo per la prima volta utilizzando un'apparecchiatura SPS. Bicrystals con orientamenti torsione di 0 °, 4 °, e 45 ° si sono formati ad alta pressione con temperature moderate e incollaggio temposcale rispetto ai parametri presenti nel legame convenzionale. Formazione di bicrystals tramite l'apparato SPS offre l'opportunità di determinare quantitativamente l'impatto del campo elettrico così come velocità di riscaldamento su strutture fondamentali bordo di grano selezionate.

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Acknowledgments

LH riconosce con gratitudine il sostegno finanziario da parte di un Science Foundation Graduate Research Fellowship US National sotto di Grant No. 1148897. La microscopia elettronica caratterizzazione e trattamento SPS presso UC Davis è stato sostenuto finanziariamente da un premio dell'Università della California a pagamento Laboratory (# 12-LR-238313). Il lavoro alla fonderia molecolare è stato sostenuto dal Office of Science, Ufficio delle scienze di base di energia, del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sotto contratto n 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

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  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).
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Spark Plasma Sintering apparecchio utilizzato per la formazione di titanato di stronzio Bicrystals
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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).

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