Introduction
방전 플라즈마 소결법 (SPS)는 분말의 급속한 치밀화 높은 일축 압력 펄스 직류 리드 어플리케이션이 하나를 압축하는 기술이다. 추가로, 소결 보조제가 2, 3, 4, 5를 불필요이 기술은 또한, 실리콘 질화물 / 실리콘 카바이드, 지르코늄, 붕화 / 실리콘 탄화물, 또는 실리콘 탄화물을 포함하는 다양한 물질로부터 복합 구조의 성공적인 형성을 이끈다. 핫 - 압박 과거에 도전했던 기존하여 이러한 복합 구조의 합성. 정보 위성 기술을 통해 높은 압력 축과 빠른 가열 속도의 애플리케이션이 분말 합성 통합을 개선하지만, 문헌 2, 3에서 논의이 향상된 고밀도화를 일으키는 현상클래스 = "외부 참조"> 6, 7. 판매용 입계의 형성에 대한 전기장의 영향에 관한 제한된 정보와 입계 코어 (8, 9)의 결과 원자 구조가 존재한다. 이러한 핵심 구조는 고전압 커패시터의 절연 파괴 및 세라믹 산화물 (10)의 기계적 강도 및 인성을 포함 SPS 소결 재료의 기능적 특성을 결정한다. 따라서,인가 전류로서 SPS 공정 변수의 함수로서 근본적인 입계 구조를 이해하는 것은, 재료의 전반적인 물성의 조작이 필요하다. 체계적 SPS 근간 기본적인 물리적 메커니즘을 해명하기위한 하나의 방법은 특정 입계 구조 예 bicrystals의 형성이다. bicrystal는 다음 두 개의 단결정의 조작에 의해 생성된다 diffu특정 탈각과 결합 시온 11 각도. 이 방법은 공정 변수의 함수, 도펀트 농도 및 불순물 편 12, 13, 14 등의 기본적인 입계 코어 구조를 조사 할 수있는 제어 방법을 제공한다.
온도, 시간, 압력, 본딩 분위기 15 : 확산 접합은 네 개의 매개 변수에 따라 달라집니다. 티탄산 스트론튬 종래의 확산 결합 (된 SrTiO3 3 STO)는 일반적 bicrystals 1,400-1,500 ℃의 온도 범위에서 1 MPa의 이하의 압력에서 발생하며, 시간 단위는 3 내지 20 시간 동안 13, 14, 16, 17에서부터. 이 연구에서, SPS 장치에서의 접합 C에서 상당히 낮은 온도 및 시간 스케일에서 달성기존의 방법에 omparison. SPS 크게하여 그 미세 구조의 조작을 통해 재료의 특성 유리한 제어를 제공, 입자 성장을 제한을 통해 다결정 재료의 경우, 온도 및 시간 스케일을 감소시켰다.
SPS 장치는, 5 × 5 ㎜ × 2 시료에 대하여, 140 MPa의 최소 압력을가한다. 종래의 확산 접합 온도 범위가 헛 외. 접착 압력이 18 MPa로 10을 초과하는 경우 STO의 즉각적인 파괴를보고한다. 그러나, STO는 나타내는 접착 압력이 특정 온도에서 10 MPa의 수를 초과 온도 의존성 소성 거동을 나타낸다. 1200 ° C 이상 700 ° C 이하, STO는 샘플의 순간 파괴없이 적용 할 수있는보다 큰 120 MPa의를 강조하는 일부 연성을 나타낸다. 700-1,200 ℃의 중간 온도 범위에서, STO는 S에서 취성 파괴 인 경험 순시10 MPa의보다 큰 트레스. 800 ° C에서, STO는 200 MPa의 19, 20, 21보다 적은 스트레스에서 파괴하기 전에 약간의 변형성을 보유하고 있습니다. 따라서, SPS 장치를 통해 STO의 bicrystal 형성 접합 온도는 재료의 소성 거동에 따라 선택되어야한다.
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Protocol
단결정 스트론튬 티탄의 1. 샘플 준비
주 : 단결정 STO이 경면 마무리로 폴리싱 (100)면에 공급된다.
- 다이아몬드 와이어를 사용하여 5 × 5 mm 2 조각으로 섹션 STO 보았다.
- 십오분 각각 아세톤, 이소프로판올, 메탄올 화장실에서 연속적으로 50 ~ 60 Hz에서 초음파 청소 샘플.
- 즉시 200 ℃의 온도에서 유지 핫 플레이트상에서 배치 메탄올 욕에서 STO를 제거한다. 청소 후 샘플을 가열하면 알코올 증발 안보의 형성을 방지 할 수 있습니다.
- 불화 암모늄 및 49 % 불화 수소산의 1 용액 : 완충 불산에 십분 (= 4의 pH), 6 장소 샘플. (22)이 용액을 주로 (100) 이산화 티탄 종결 표면을 형성 STO를 에칭한다. 단결정의 광학적으로 평탄면은 무지개 녹있는 경우 해당한다 오버 에칭 및 샘플왔다OT가 사용될.
- 에칭 용액에있는 10 분 후, 이소프로판올에 다음 탈 이온수 (DI) 물에 샘플을 씻어. 깨끗한 집 공기를 사용하여 건조.
스파크 플라즈마 소결 장치를 통해 2 Bicrystal 형성
주 : 5 × 5 mm이 결정 사용할 30 mm 직경의 흑연 다이하십시오. 직경의 다이보다 작은 30mm가 사용되는 경우, bicrystal는 격변 본딩시 골절. SPS 장치에 의해 가해지는 최적의 다이 크기뿐만 아니라 압력이 결정의 크기에 크게 의존한다.
- 30mm의 직경을 갖는 흑연 플런저 흑연 종이 30mm의 원을 놓는다. 흑연 논문은 실험 기간 동안 흑연 플런저에 결합에서 STO를 방지 할 수 있습니다.
- bicrystal 경계를 형성하는 안쪽으로 향하도록 배치 그들의 광학적 평면과 두 개의 5 × 5 mm 2 STO 단결정 스택. 흑연 종이와 플런저의 상단에 스택 중앙에.
- 상단 하나의 외침을 돌려선택한 탈각 각도로 <100> 축을 중심으로 STAL. 는 <100> 축이 결정의 광학 평면에 수직이다.
- 플런저 및 결정을 통해 흑연 다이를 밀어 넣습니다. 적층 STO 결정 위에 제 흑연 종이 직경 30mm의 원과 그 다음 직경 30mm의 플런저 배치.
- 결합 된 플런저 스택 및 SPS 장치의 흑연 스페이서 (도 1) 상에 다이.
- Z 축 제어 버튼을 이용하여 접촉 저항을 최소화하기 위해 3 축 KN의 힘을 적용한다. 실험을하는 동안, 사용자는 Z 축 제어 버튼을 통해 3 KN의 힘을 유지한다.
- 도 1에 도시 된 작은 구멍에서 흑연 다이에 K- 타입 열전쌍을 삽입한다. 열전대는 샘플로 다이를 통해 확장합니다.
- 진공 푸시 버튼을 사용하여 SPS 장치로 10 ~ 파의 챔버 압력을 설정한다.
- 프로그램 구 공동 통해 선택 결합 온도, 시간, 가열 속도ntrol 소프트웨어 (표 1). 접합 온도와 시간, 70 내지 80 °의 C / 분의 가열 속도 50 ℃ / min의 냉각 속도를 사용한다.
- 12의 버튼을 소결 장비를 사용하여 DC 펄스 오프 2 초를 설정합니다. 프로그램이 실행되도록 설정되어 한 번 ~ 4 V의 펄스 바이어스 ~ 550 (A)의 직류는 시료에 점진적으로 적용됩니다.
- 기계의 시작 버튼을 누릅니다.
- 프로그램이 종료 될 때 샘플을 제거합니다. bicrystal 형성 후, 샘플 인해 SPS 장치의 환원 환경에 회색 검은 색 표시됩니다.
- 어닐링하고 공기 샘플을 다시 산화, 140 시간 동안 1200 ° C의 온도에서 고온 가열로를 사용하여이 과정 동안 더 압력을 가하지 않는다. 어닐링 매개 변수가 헛 등의 알에 의해 수행 이전 작업에 따라 선택되었다. 하는 고진공 (13)에 형성 bicrystals. 어닐링 후, 샘플을 오프 - 화이트 색을 드러내고 산화된다.
- 다이아몬드 와이어 단면 bicrystal는 5x1 mm 2 부분으로 보았다.
- 다이아몬드 래핑 필름 폴란드어 단면 샘플. 다이아몬드 래핑 필름 그릿 크기는 점차적으로 0.1㎛ 내지 9 ㎛의부터 감소된다. 상처가 표면에 걸쳐 균일 한 번 작은 모래 크기로 변경합니다. 영화를 래핑 9 μm의 6 μm의에 대한 시계 반대 플래 튼 모션을 사용합니다. 6 μm의 μm의 0.1 래핑 필름 진동 샘플 머리를 시계 반대 플래 튼 모션을 사용합니다.
- 매트 원단을 사용하여 두 분 콜로 이달 실리카 폴란드어 단면 샘플. 지속적으로 시계 반대 방향으로 플래 튼의 움직임과 진동 샘플 머리를 매트에 콜로 이달 실리카를 붓는다.
- 다섯 초 샘플을 제거하기 전에, 콜로 이달 실리카를 붓는 중지하고 플래 튼에 DI 물을 붓는다. 열 다섯 초 동안 DI 물을 붓고 샘플을 제거하고 즉시 샘플을 씻어1 분 DI 물입니다. 이 절차를 따르지 않으면, 콜로이드 성 실리카는 샘플의 표면에 결합 및 주사 전자 현미경 (SEM) 중에 입계를 가릴 것이다.
- 시료가 광학적으로 매끄러운 표면을 연마하면, 연속 십오분 각각 아세톤, 이소프로판올 및 메탄올 초음파 욕조에서 깨끗한 샘플.
- 즉시 200 ℃의 온도에서 유지 핫 플레이트상에서 배치 메탄올 욕에서 STO를 제거한다. 청소 후 샘플을 가열하면 알코올 증발 안보의 형성을 방지 할 수 있습니다.
- 마운트 샘플은 콜로이드 흑연을 사용하여 샘플 스텁에 표면을 연마.
- 탄소의 2 ~ 3 나노와 코트 샘플 표면을 스퍼터. 0.2 ㎚ / 펄스, 0.2 A / 펄스의 현재 공정 속도 (40)의 펄스 전류, 2 (S)의 펄스 길이, 및 (50)의 최대 펄스의 펄스 해상도 : 카본 코터에 대해 다음 파라미터를 사용한다.
4. FIB 구리 그리드 청소
- 1 시간 각각에 대해 다음 아세톤 및 이소프로판올 욕조에 구리 FIB 그리드를 배치합니다.
- 10 분 동안 플라즈마 깨끗한 구리 FIB 그리드.
투과 전자 현미경 (TEM) 집중 이온 빔 (FIB) 장치를 통해 얇은 판의 5. 준비
참고 : FIB의 제조에 사용되는 모든 매개 변수는 입력 또는 FIB 장치 소프트웨어의 드롭 다운 메뉴에서 선택됩니다.
- FIB 장치에 STO 샘플 및 구리 FIB 그리드를 배치합니다. 무대는 7mm이다.
- 두 개의 단결정, 즉, 입계 사이의 인터페이스를 따라 관심 영역을 찾습니다.
- 패터닝 대화 상자를 선택합니다. 패터닝 제어에서 응용 프로그램 등록 된 Ce-출발 표면에 사각형 패터닝 도구를 선택합니다. 가스 주입을위한 C-출발을 삽입합니다. (c)의 15 × 2 × 2 μm의 3 보호 층을 증착ARBON 5.0 kV의 13.0 NA가 현재의 전압으로 전자 빔 및 0 °의 경사각을 사용. C-출발 후퇴.
- 패터닝 대화 상자를 선택합니다. 패턴 화 제어에 응용 프로그램 속성 W-출발과 사각형 패턴 화 도구를 선택합니다. 가스 주입을위한 W-출발을 삽입합니다. 30.0 kV의 0.3 NA가 현재의 전압으로, 이온 빔을 이용하여 텅스텐 기탁 15 × 2 × 2 μm의 3 보호 층과 52 °의 경사각도. W-출발 후퇴.
- 패터닝 대화 상자를 선택합니다. 패터닝 제어에서 응용 프로그램 등록시에 정규 단면 패터닝 도구를 선택합니다. 30.0 kV의 30.0 NA가 전류 및 이온 빔을 통해 52 °의 경사 각도의 전압으로 가기 패턴 바닥 패턴, 22 × 27 × 15 ㎛의 (3)의 22 × 25 × 15 μm의 3을 사용한다. 패턴은 보호 층의 양쪽에 트렌치 밀을 생성합니다.
- 패터닝 대화 상자를 선택합니다. 패터닝 제어에서 청소를 선택응용 프로그램 등록시에 제 패터닝 도구를 교차. 30.0 kV의 전압에서의 상부 및 하부 패턴 및 이온 빔을 통해 1.0 NA가 현재의 22 × 3 × 60 μm의 3을 사용한다. 경사각은 바닥 패턴 53.5 °, 상부 패턴은 50.5 °이다. 패턴은 일정한 단면 패터닝 결과 인 curtaining 패턴의 트렌치 라멜라의 표면을 청소한다.
- 응용 프로그램 등록시와 사각형 패턴 화 도구를 사용하여 샘플로 J-패턴을 잘라. 30.0 kV의 전압과의 이온 빔을 통해 1.0 NA가 현재의 폭, 2㎛를 사용한다.
- 쉬운 리프트 대화 상자를 선택합니다. 공원 위치로 미세 조작기를 삽입합니다. 미세 조작기를 내리고 5.4에 설명 된 프로세스를 사용하여 텅스텐 용접을 통해 구리 FIB 그리드에 샘플을 첨부합니다.
- 5.7에 설명 된 단계를 사용하는 전압, 이온 빔을 사용해 샘플에 원래 J 패턴에서 계속하는 U-패턴 μcut30.0 kV의 1.0 nA의의 현재.
- 벌크 샘플 위의 미세 조작기를 통해 라멜라를 들어 올립니다.
- 입계 더이상 이온 빔에 평행하게되지 않도록 상기 미세 조작기 (180)도 회전하지만, 이온 빔에 수직.
- 텅스텐은 30.0 kV의 전압에서의 이온빔 0.3 NA가 전류가 5.4에 설명 된 단계를 사용하여 구리 FIB 그리드 라멜라 용접.
- 30.0 kV의 전압에서의 이온빔 1.0 NA가 전류가 5.7에 설명 된 단계를 사용하여 라멜라에서 미세 조작기를 잘라.
- 5.3에 설명 된 단계를 반복합니다. 5.0 kV의 13.0 NA가 현재의 전압으로 전자 빔을 사용하여 탄소의 15 × 2 × 4 ㎛의 보호 층 (3), 및 0 °의 틸트 각을 증착.
- 5.4에 설명 된 단계를 반복합니다. 30.0 kV의 0.3 NA가 현재의 전압으로, 이온 빔을 사용하는 텅스텐 기탁 15 × 2 × 8 ㎛의 보호 층 (3), 및 52 °의 경사각도.
- 와이온빔 30.0 kV의 전압의 0.5 NA가 체계적으로 감소 전류, 0.3 nA의 0.1 노나하여 약 200 nm의 샘플 박막. 이 단계에서 세정 단면 패턴을 사용하고, 시료 52 ±± 1.5 °의 각도로 기울어 져있다.
- 이온 빔이 얇은 시료 5.0 kV의 전압을 77.0 Pa의 전류를 사용하여 투명 전자한다. 이 단계에서, 사각형 패턴은 52 ± 37 °의 경사각으로 사용된다.
- 500 EV의 전압 150 μA의 전류에서 샘플을 청소하여 FIB에서 발생 비정질 손상을 제거합니다.
- 주사 투과형 전자 현미경 (STEM)에서 TEM 홀더 및 인서트 홀더에 배치 TEM 샘플. 선택 '캡처', 이미지 샘플 입계.
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Representative Results
접합 온도, 시간 및 탈각 각도 STO의 bicrystal (표 1)의 최대 가능 접합 계면의 일부에 필요한 최적 파라미터를 결정하기 위해 모든 변형이었다. 인터페이스는 입계는 SEM 영상 (도 2a) 중에 보이지 않을 때 '결합'이라고 판단 하였다. 어두운 이미지의 대비 나 빈 공간이 경계 위치 (그림 2b)에 존재하는 경우 A '비 결합 된'인터페이스가 전시되었다. FIB 설치 절차가 모세관 효과로 인해 두 STO 결정 사이에 확산 한에서 어두운 이미지 대비는 콜로이드 흑연을 의미했다. 접합 계면이 bicrystal의 중심 관찰하면서 비 접합 계면은 bicrystal 가장자리에서 관찰된다. SPS 장치에 의해 형성된 bicrystals의 중앙 가장자리에서 결합 거동의 변화는 또한 핫 프레스 techniqu 통해 형성 bicrystals에서 볼에스 6.
bicrystal의 벌크 마이크로 크랙 형성은 모든 샘플에서 관찰된다. 성공적으로 접합 bicrystals 들어, 마이크로 크랙 형성은 접합 계면을 방해하지 않는다. 1200 ℃의 접합 온도에서, 광범위한 미세 균열은 어닐링 동안 bicrystal의 취성 파괴를 초래 일어난다. 따라서, SPS 장치의 접합 온도가 치명적인 파단을 방지하기 위해 800 ℃ 이하로 유지 하였다.
600 ℃의 접합 온도에서 0 ° 탈각 각도 700 ° C로 bicrystals를 들어, 95 %를 성공적으로 접합 계면을 얻었다. 44.4 °로 bicrystal의 탈각 각도의 증가는 45.8 % 성공적으로 접합 계면을 달성 90 분 800 ℃, 접합 시간의 접합 온도를 필요로한다. 고해상도 TEM (HRTEM)와 높은 각도 환형 어두운 필드주사 투과형 전자 현미경 (HAADF-STEM)이 샘플의 현미경없이 입 막 또는 보조 위상 본 (도 3)와 원자 적 급격한 입계 구조를 보여준다. 벌크에 비해 공간 분해 전자 에너지 손실 분광법 인터페이스로부터 직접 기록 (EELS)을 티 L 3 L이 에지의 결정 장 분열뿐 아니라 OK 에지 강도 저하의 감소를 나타낸다 (도 4) .
| Bicrystal | 트위스트 방향 (°) | 본드 온도 (° C) | 본드 시간 (분) | 어닐링 온도 (° C) | 어닐링 시간 (h) | 0.3 ± 접합 계면 (%) |
| 에이 | 0 * | 1,200 | (15) | 1,200 | (16) | - |
| 비 | 0 | (600) | (90) | 1,200 | (100) | 92.3 |
| 기음 | 0 | (700) | (90) | 1,200 | (100) | 99.7 |
| 디 | 4.3 ± 0.3 | (800) | (20) | 1,200 | (50) | 79.2 |
| 이자형 | 45 * | (700) | (60) | 1,200 | (140) | 1.3 |
| 에프 | 46.1 ± 0.5 | (800) | (20) | 1,200 | (140) | 35.4 |
| 지 | 44.4 ± 0.1 | (800) | (90) | 1,200 | (140) | 45.8 |
표 1. 본딩 매개 변수 및 Bicrystals의 후속 인터페이스 분수. SPS 장치확산 접합 파라미터와 STO를 bicrystals 후속 접합 계면 분획. ~ 4 V의 펄스 바이어스 전압 ~ 550의 직류 모든 실험에 적용된다. 접합 계면의 분획 (1.5 ± 0.4) mm의 평균 입계의 길이로부터 계산 하였다. 이 영역은 bicrystal 내 다양한 지역에서 촬영되었다.
1. 스파크 플라즈마 소결 장치를 그림. 스파크 플라즈마 소결 장치에 설정합니다. 압력 bicrystal 계면에 수직으로인가된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
SPS AP = 연합 뉴스에서 발견 그림 2. 일반적인 인터페이스paratus는 Bicrystals을 형성했다. 명사 같은 90분 800 ° C의 온도에서 형성되는 45 ° 트위스트 bicrystal. 정의 '접합'인터페이스의 (a) SEM 이미지 입계 위치는 정의 '비 결합'인터페이스의 각면 보이드의 존재, 및 (b)의 SEM 화상에 의해 추론된다. 이미지에서 관찰되는 둥근 구슬 연마에서 잔류 실리카이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. Bicrystal 곡물 경계의 높은 해상도 이미지. 에지의 인터페이스 평면 방향으로 <100> 녹화 90분 영역 축은 800 ° C의 온도에서 형성되어 공칭 45 ° 트위스트 bicrystal의 경계. (
그림 4. 구조 및 화학 Bicrystal의 곡물 경계. 가장자리 미세 경계에서 찍은 (a)는 티타늄 L 2,3- 에지와 (b)는 OK 에지 구조 (800)의 온도에서 형성되는 45 ° 트위스트 bicrystal 벌크 근처90분에 대한 C를 °. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5. Bicrystal 곡물 경계에서 FIB 밀링. 이온 빔에 수직 입계와 이온 빔 (b) 샘플 입계 평행 (a) 샘플의 FIB TEM 라멜라의 HRTEM 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
1200 ° C의 접합 온도는 온도의 작은 변화가 큰 모든 확산 접합기구 동력학에 영향을 미칠 수로서 확산을 최대화하기 위해 선택되었다. 1200 ° C의 온도는 STO의 취성 - 연성 전이 온도 범위를 벗어난다. 그러나, 샘플은 상기 온도에서 취성 파괴를 받았다. STO는이 같은 STO의 bicrystal의 치명적인 오류는 ~ 1,200 ℃에서 0.5 %의 연성 예상치 못한 아니었다. 또한, 시료는 가열 공정에 걸쳐 140 MPa의 압력으로 유지하고 STO는 0 % 연성 (21)이 가열 공정 중에 그 취성 단계를 통해 전환시켰다. 정보 위성 장치를 통해 단결정 따라서 성공적인 확산 접합 재료의 온도에 의존 소성 행동에 대한 깊이있는 이해를 필요로한다.
두 bicrystals 800 ℃의 접합 온도를 20 분의 접합 시간을 사용하여 형성 하였다. 그만큼4˚ 공칭 탈각 bicrystal 함께 50 시간 동안 어닐링 140 시간 동안 어닐링 된 45 °의 공칭 탈각와 bicrystal 초과, 접합 계면 부분의 2.2 배를 나타냈다. 50시간보다 긴 어닐링 시간은 확산 접합 품질의 상당한 개선을 공개하지 않았다. 소둔 온도와 시간은 bicrystals이 SPS 장치 (11)와 유사한 고 진공 노에 형성되는 이전의 연구에 따라 선택 하였다. 이러한 bicrystals의 확산 접합에 어닐링 처리의 영향이 있다면, 확산 결합 길이가 계산 1백40시간 23 1200 ° C의 온도에서 0.27 nm 인 것으로 밝혀졌다 확인할. 선택된 어닐링 파라미터 따라서 만 bicrystal의 확산 접합에 제한된 영향을 미쳤다. 45 ° 트위스트 탈각와 bicrystal의 확산 결합이 없을 때이 분석은 또한 지원어닐링시에 사용되는 동일한 매개 변수에 대한 성공.
선택된 어닐링 파라미터 크게 확산 접합에 영향을주지 않았으나, 탈각 각도는 현저한 효과를 가지고있다. 높은 각도 탈각 각도 크로스 확산을 방해하고 인터페이스 결합을 감소 개의 반 결정 사이에 큰 구조적 미스 매치를 만들 수 있습니다. 높은 탈각 각도를 들어, 접합 온도와 시간은 크게 성공적 접합 계면 분획을 위해 증가되어야한다.
SPS 처리 기술을 통해 Bicrystal 형성은 종래의 핫 프레스 법에 비해 상당히 가속 시간 척도와 중간 온도 범위에서 발생한다. 종래의 확산 접합과 SPS 방법과 공정 변수의 차이는 또한 분말 성형체 및 복합체의 형성을 볼 수있다. 전술 한 바와 같이, 종래의 확산 접합 방법을 통해 형성 bicrystals3 내지 20 시간 (11), (24)에 이르기까지 시간 척도와의 1400 ° C 이상의 온도로 형성되어있다. SPS 수단을 사용하여, 확산 결합은 20 내지 90 분 범위의 시간 스케일 800 ° C의 온도에서 발생한다. 정보 위성 기법은 종래의 방법에 비해 bicrystals의 급속한 확산 접합 용 후 유용하다. 정보 위성의 악기 Bicrystal 형성은 또한 선택된 탈각와 입계 물질 전달 메커니즘의 실험적 관찰을 허용한다. 이 실험 관찰은 SPS 기술을 뒷받침하는 메커니즘에 더 많은 통찰력을 제공 할 것입니다.
벌크 STO의 bicrystal에 미세 균열은 기존의 기계적 TEM의 라멜라 준비하지 못했습니다. 기계적 씨닝 처리 인해 벌크 걸쳐 확산 마이크로 크랙에 TEM 라멜라 파단되었다. 따라서, TEM 라멜라의 FIB 준비 하였다. 기존의 FIB 리터상기 인터페이스면 (도 5a)을 따라 우선적 밀링되었다 입계는 이온 빔에 평행 인 라멜라의 IFT 아웃. FIB 준비 기술은 이후에 수정되었습니다. 첫째, 탄소 및 텅스텐의 초기 보호 층의 두께는 리프트 아웃 단계의 끝에서, 그래서 선택하고, 보호 층은 얻어 분쇄 하였다. 상기 보호 층은 너무 두껍게이고 씨닝 처리에 걸쳐 유지하는 경우, 텅스텐 재 증착 발생한 TEM 분석을 가려. TEM에의 라멜라가 미세 조작기의 끝 부분에 부착 된 후 두 번째로는 미세 조작기는 180 ° 회전했다. 이 회전에 따라서 우선적 씨닝 방지 입계는 이온 빔에 수직하게시킨다 (도 5b). 마지막으로, 리프트 아웃 처리 후, 탄소 및 텅스텐의 보호 층을 새롭게 지향 TEM 라멜라의 표면 상에 증착 하였다. 기존의 FIB 홍보에 이러한 수정eparation 기술은 HAADF-STEM에 의해 원자 해상도의 영상을 가능하게 깨끗한 TEM의 라멜라되었다.
공칭 45 ° 트위스트 입계 90 분 동안 800 ° C에서 결합 된 bicrystal에 대한 HRTEM과 HAADF-STEM 현미경없이 차 단계로 극히 미세하게 해결 입계의 구조를 보여줍니다. 공간 분해 EELS 벌크에 비해 산소 공공 농도의 증가를 나타내는 입계 코어 내의 TI의 배위 변화를 보여준다. 이러한 결과는 낮은 각도 트위스트 입계 (25)에 대한 문헌보고와 일치한다. 이러한 실험의 추가의 분석은 26 곳을 설명한다.
이 연구에서, STO의 bicrystals가 성공적 SPS 장치를 사용하여 처음으로 합성 하였다. 0 °의 꼬임 방향, 4 °, 45 °가 중간 접합 온도와 시간에 높은 압력에서 형성에 Bicrystals비늘 종래 접합에서 발견되는 파라미터들에 비해. 정보 위성의 장치를 통해 bicrystals 형성 정량적 선택된 그레인 경계 코어 구조에 대한 전기장의 영향뿐만 아니라 가열 속도를 결정할 수있는 기회를 제공한다.
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Acknowledgments
LH 감사 재정적 캘리포니아 대학의 실험실 요금 수상에 의해 지원되었다 UC 데이비스 그랜트 번호 1148897. 전자 현미경 특성화 및 SPS 처리 아래 미국 국립 과학 재단 (National Science Foundation) 대학원 연구 활동에 의해 재정 지원을 인정한다 (# 12-LR-238313). 분자 주조에서의 작업은 계약 번호 DE-AC02-05CH11231에서 미국 에너지 부의 과학, 기초 에너지 과학의 사무실의 사무실에 의해 지원되었다.
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).
