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Engineering

Faísca Plasma Sintering aparelho utilizado para a Formação de titanato de estrôncio Bicrystals

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

Introduction

Sinterização de ignição de plasma (SPS) é uma técnica na qual a aplicação da pressão uniaxial alta e conduz corrente pulsada directos para a rápida densificação de pó compacta 1. Esta técnica também conduz à formação bem sucedida de estruturas compósitas a partir de vários materiais, incluindo nitreto de silício / carboneto de silício, boreto de zircónio / carboneto de silício, carboneto de silício ou, sem auxiliares de sinterização adicionais necessários 2, 3, 4, 5. A síntese destas estruturas compostas por métodos convencionais de prensagem a quente tinha sido um desafio no passado. Embora a aplicação de uma pressão uniaxial e alta taxa de aquecimento rápido, através da técnica de SPS aumenta a consolidação de pós e compósitos, o fenómeno fazendo com que este densificação reforçada debatida na literatura 2, 3,class = "xref"> 6, 7. Também existe apenas informações limitadas sobre a influência de campos elétricos na formação de contorno de grão e as estruturas atômicas resultantes de núcleos de contornos de grão 8, 9. Estas estruturas nucleares determinar as propriedades funcionais de materiais sinterizados SPS, incluindo avaria eléctrica de condensadores de alta tensão e a resistência mecânica e a resistência de óxidos cerâmicos 10. Portanto, a compreensão da estrutura dos limites de grão fundamental como uma função dos parâmetros de processamento SPS, tais como a corrente aplicada, é necessária para a manipulação das propriedades físicas globais de um material. Um método para elucidar sistematicamente os mecanismos físicos fundamentais subjacentes SPS é a formação de estruturas específicas nos limites dos grãos, ou seja, bicrystals. A bicrystal é criado pela manipulação de dois cristais individuais, que são então diffusion ligado com misorientation específica ângulos 11. Este método oferece uma maneira controlada para investigar as estruturas nucleares nos limites dos grãos fundamentais como uma função dos parâmetros de processamento, a concentração de contaminante, e a segregação de impurezas 12, 13, 14.

A difusão de ligação é dependente de quatro parâmetros: temperatura, tempo, pressão e atmosfera de ligação 15. Convencional de ligação por difusão de titanato de estrôncio (SrTiO 3, STO) bicrystals ocorre tipicamente a uma pressão inferior a 1 MPa, dentro de uma gama de temperaturas de 1,400-1,500 ° C, e escalas de tempo que varia de 3 a 20 horas 13, 14, 16, 17. Neste estudo, a ligação num aparelho de SPS é conseguido pelo significativamente mais baixos escalas de tempo e temperatura em COMPARAÇÃO com métodos convencionais. Para materiais policristalinos, redução de temperatura e tempo escalas via SPS limita significativamente o crescimento de grãos, proporcionando assim o controle vantajosa de propriedades de um material através da manipulação de sua microestrutura.

O aparelho de SPS, para uma amostra de 5 x 5 mm2, exerce uma pressão mínima de 140 MPa. Dentro da gama de temperaturas de difusão de ligação convencional, Hutt et ai. denunciar fratura instantânea de STO quando a pressão de ligação superior a 10 MPa 18. No entanto, apresenta um comportamento de STO plasticidade dependente da temperatura, indicando a pressão de colagem pode ser superior a 10 MPa, a temperaturas específicas. Acima de 1200 ° C e abaixo de 700 ° C, STO exibe alguma ductilidade, em que salienta superior a 120 MPa, pode ser aplicado sem fractura instantânea da amostra. Dentro da faixa de temperatura intermediária de 700-1,200 ° C, STO é a fratura instantânea frágil e experiências em stresses superior a 10 MPa. A 800 ° C, STO tem menor capacidade de deformação antes de fracturar a tensões inferiores a 200 MPa, 19, 20, 21. Assim, temperaturas de ligação para a formação STO bicrystal via aparelhos SPS deve ser escolhido de acordo com o comportamento plasticidade do material.

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Protocol

1. Preparação de Amostras de Cristal Único de titanato de estrôncio

NOTA: STO cristal único é fornecido com um (100) de superfície polida para um acabamento espelhado.

  1. Seção STO em 5x5 mm 2 peças usando o fio de serra de diamante.
  2. Ultra-sons as amostras limpas a 50-60 Hz consecutivamente em banhos de acetona, isopropanol, e metanol durante quinze minutos cada.
  3. Remover STO de banho de metanol para colocar imediatamente na placa quente mantida a uma temperatura de 200 ° C. Aquecer a amostra, após a limpeza evita a formação de manchas de evaporação do álcool.
  4. Colocar as amostras durante dez minutos em ácido fluorídrico tamponado (pH = 4), a 6: 1 de solução de fluoreto de amónio e 49% de ácido fluorídrico. 22 Esta solução grava o STO, formando uma (100) da superfície de TiO 2 predominantemente terminada. Se o lado opticamente plana do único cristal tem um patina do arco-íris, a amostra foi sobre-gravado e deverá nOT ser utilizado.
  5. Depois de dez minutos na solução decapante, lavar as amostras em água desionizada (DI) de água e, em seguida, em isopropanol. Seque com casa de ar limpo.

2. Formação Bicrystal via faísca Plasma Sintering Apparatus

NOTA: Para 5x5 mm 2 uso do cristal a 30 mm de diâmetro de grafite morrer. Se uma fieira com um diâmetro menor que 30 mm é usado, o bicrystal catastroficamente fracturas durante a ligação. bem como óptima matriz tamanho pressão exercida pelo aparelho de SPS é altamente dependente do tamanho dos cristais.

  1. Coloque um círculo de 30 mm de papel de grafite sobre um êmbolo de grafite com um diâmetro de 30 mm. papel de grafite impede STO de ligação ao êmbolo de grafite durante o experimento.
  2. Empilhar dois únicos cristais mm 2 STO 5x5 com suas superfícies planas opticamente colocados voltado para dentro para formar o limite bicrystal. Centralizar a pilha na parte superior do papel de grafite e o êmbolo.
  3. Gire a parte superior grito únicostal em torno do eixo <100> para um ângulo misorientation escolhido. A <100> eixo é perpendicular à superfície opticamente plana de cristal.
  4. Deslize o dado de grafite sobre o êmbolo e cristais. Coloque um segundo círculo de diâmetro 30 milímetros de papel grafite e, em seguida, êmbolo de diâmetro 30 milímetros ao longo dos cristais STO empilhados.
  5. Empilhar os êmbolos combinados e morrem sobre os espaçadores de grafite no aparelho SPS (Figura 1).
  6. Aplicar uma força uniaxial de 3 kN para minimizar a resistência de contato usando os botões de controle do eixo z. Durante todo o experimento, o usuário deve manter o vigor a 3 kN através dos botões de controle do eixo z.
  7. Inserir termopar tipo K em molde de grafite no furo pequeno, mostrado na Figura 1. O termopar se estende através do molde para a amostra.
  8. Defina a pressão da câmara do aparelho SPS para ~ 10 Pa usando os botões de pressão de vácuo.
  9. Selecione a temperatura de títulos, de tempo e de aquecimento taxas via instrumento programa de cosoftware ntrol (Tabela 1). Para a temperatura e o tempo de ligação, utilizar uma taxa de aquecimento de 70-80 ° C / min e uma velocidade de arrefecimento de 50 ° C / min.
  10. Set 12 s sobre, 2 s fora de pulso DC utilizando o instrumento botão de sinterização. A polarização pulsada de ~ 4 V de corrente contínua ou de ~ 550 A são aplicados de forma incremental para a amostra uma vez que o programa está configurado para ser executado.
  11. Pressione o botão Iniciar na máquina.
  12. Retirar a amostra quando o programa termina. Após a formação bicrystal, a amostra irá aparecer cinza-escuro devido ao ambiente redutor do aparelho SPS.
  13. Usar um forno de alta temperatura a uma temperatura de 1200 ° C durante 140 h, aplica nenhuma pressão durante este procedimento, para recozer e re-oxidar a amostra ao ar. Parâmetros de recozimento foram selecionados de acordo com o trabalho anterior feito por Hutt et al. em que bicrystals formado em alto vácuo 13. Após o recozimento, a amostra revela uma cor esbranquiçada e é oxidado.

  1. Secção transversal bicrystal com fio de serra de diamante em mm 5x1 2 seções.
  2. amostras de seção transversal poloneses com filme de lapidação de diamantes. O tamanho do grão sobre a película de polimento de diamante é gradualmente diminuída a partir de 9 pM e 0,1 uM. Alterar o tamanho de grão menor uma vez arranhões são uniformes em toda a superfície. Use uma placa de movimento anti-horário para 9 mm a 6 mm que dobram filme. Use uma placa de movimento anti-horário com uma cabeça amostra oscilante para 6 mm a 0,1 mm filme lapidação.
  3. amostras de seção transversal poloneses com sílica coloidal durante dois minutos, utilizando um pano mat. Continuamente despeje sílica coloidal sobre o tapete com o movimento anti-horário cilindro e cabeça amostra oscilante.
  4. Quinze segundos antes de retirar a amostra, parar de derramar sílica coloidal e despeje água DI para cilindro. Despeje a água DI durante quinze segundos, retirar amostra e lave imediatamente amostraem água desionizada durante 1 min. Se este procedimento não for seguido, a sílica coloidal se ligará a superfície da amostra e obscurecer o contorno de grão durante a microscopia eletrônica de varredura (MEV).
  5. Uma vez que a amostra é polida para uma superfície opticamente lisa, limpa por ultra-sons as amostras consecutivamente em banhos de acetona, isopropanol, e metanol durante quinze minutos cada.
  6. Remover STO de banho de metanol para colocar imediatamente na placa quente mantida a uma temperatura de 200 ° C. Aquecer a amostra, após a limpeza evita a formação de manchas de evaporação do álcool.
  7. amostra Mount superfície polida para cima sobre um esboço de amostra usando a grafite coloidal.
  8. Sputter superfície da amostra casaco com 2-3 nm de carbono. Utilize os seguintes parâmetros para o revestidor de carbono: uma resolução de pulso de 0,2 nm / pulso, freqüência etapa atual de 0,2 A / pulso, pulso de corrente de 40 A, comprimento do pulso de 2 s, e os pulsos máximas de 50.

4. Limpar o FIB Copper Grade

  1. Coloque FIB grelha de cobre num banho de isopropanol e acetona, em seguida, durante 1 h cada.
  2. Plasma grade FIB cobre limpo para 10 min.

5. Preparação de Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) Lamela via Focused Ion Beam (FIB) Aparelho

NOTA: Todos os parâmetros utilizados na preparação FIB são digitados ou selecionados a partir de um menu drop-down no software aparelho FIB.

  1. Coloque amostra STO e grade FIB cobre no aparelho FIB. A fase é a 7 mm.
  2. Encontrar uma região de interesse ao longo da interface entre os dois cristais individuais, ou seja, o limite do grão.
  3. Marque a caixa de diálogo Padronização. Em Controle de Padronização, selecione a ferramenta de modelação do retângulo com a superfície Ce-dep propriedade aplicação. Insira C-dep para injecção de gás. Depositar a 15 × 2 × 2 m 3 camada protetora de carbon utilizando o feixe de electrões a uma tensão de 5,0 kV, uma corrente de 13,0 nA, e um ângulo de inclinação de 0o. Retrair C-dep.
  4. Marque a caixa de diálogo Padronização. Em Controle de Padronização, selecione a ferramenta de modelação do retângulo com a propriedade de aplicação W-dep. Insira W-dep para injecção de gás. Depósito 15 × 2 × 2 uM 3 camada protectora de tungsténio usando o feixe de iões com uma tensão de 30,0 kV, uma corrente de 0,3 nA, e um ângulo de inclinação de 52 °. Retrair W-dep.
  5. Marque a caixa de diálogo Padronização. Em Controle de Padronização, selecione o Transversal Ferramenta padronização regular com propriedade aplicação de Si. Use 22 × 25 × 15 uM 3 para o padrão de fundo e de 22 × 27 × 15 uM 3 para o padrão de topo com uma tensão de 30,0 kV, uma corrente de 30,0 nA, e um ângulo de inclinação de 52 °, através do feixe de iões. O padrão irá criar um moinho trincheira em ambos os lados da camada de protecção.
  6. Marque a caixa de diálogo Padronização. Em Controle de Padronização, selecione a LimpoCorte Transversal Ferramenta de padronização com a propriedade de aplicação de Si. Use 22 × 3 × 60 mm 3 para o padrão de topo e na parte inferior com uma tensão de 30,0 kV e uma corrente de 1,0 nA através do feixe de iões. O ângulo de inclinação é de 53,5 ° para o padrão de fundo e 50,5 ° para o padrão superior. O padrão limpa a superfície da lamela trenched a partir do padrão de cortinado que resulta da secção de modelação transversal regular.
  7. Corte um J-padrão para a amostra usando a ferramenta de modelação do retângulo com propriedade aplicação de Si. Use 2 uM para a largura a uma tensão de 30,0 kV e uma corrente de 1,0 nA através do feixe de iões.
  8. Marque a caixa de elevador diálogo Easy. Insira o micromanipulador para a posição de parque. Diminuir o micromanipulador e anexar a amostra para a grelha de cobre FIB através de uma soldadura de tungsténio usando o processo descrito no ponto 5.4.
  9. Usando as etapas detalhadas em 5,7, μcut um U-padrão, continuando a partir da J-padrão original, na amostra usando o feixe de íons a uma tensão de30,0 kV e uma corrente de 1,0 nA.
  10. Levante a lamela através do micromanipulador acima da amostra global.
  11. Rodar o micromanipulador 180 °, de modo que o limite do grão é não paralela à do feixe de iões, mas perpendicular ao feixe de iões.
  12. Tungsténio soldar a lamela a um grelha de cobre FIB utilizando os passos detalhados em 5.4 com o feixe de iões com uma tensão de 30,0 kV e uma corrente de 0,3 nA.
  13. Cortar o micromanipulador da lamela utilizando os passos detalhados em 5,7 com o feixe de iões com uma tensão de 30,0 kV e uma corrente de 1,0 nA.
  14. Repita os passos detalhados em 5.3. Depositar uma camada de 15 × 2 × 4 mm 3 de protecção de carbono usando um feixe de electrões a uma tensão de 5,0 kV, uma corrente de 13,0 nA, e um ângulo de inclinação de 0o.
  15. Repita os passos detalhados em 5.4. Depósito 15 × 2 × 8 uM 3 camada protectora de tungsténio usando um feixe de iões com uma tensão de 30,0 kV, uma corrente de 0,3 nA, e um ângulo de inclinação de 52 °.
  16. Como feixe de iões, fina a amostra a cerca de 200 nm, utilizando uma tensão de 30,0 kV e uma corrente sistematicamente diminuindo de 0,5 nA, 0,3 nA, e 0,1 nA. Nesta fase, um padrão de secção transversal de limpeza é usado e a amostra é inclinado a um ângulo de 52 ° ±± 1,5.
  17. Com o feixe de iões, a amostra a fina electrões transparência utilizando uma tensão de 5,0 kV e uma corrente de 77,0 pA. Nesta fase, um padrão rectângulo é utilizado com um ângulo de inclinação de 52 ° ± 3 °.
  18. Remover danos amorfo efectuadas a partir da FIB através da limpeza da amostra a uma tensão de 500 eV e uma corrente de 150 uA.
  19. amostra TEM lugar no suporte e coloque o suporte TEM em microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM). Select 'Capture', amostra de imagem do contorno de grão.

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Representative Results

Temperatura de ligação, o tempo, e o ângulo misorientation foram todos alterados para determinar os parâmetros óptimos necessários para a fracção de interface de união máxima possível do bicrystal STO (Tabela 1). A interface foi considerada "ligada", quando o limite de grão não era visível durante o exame SEM (Figura 2a). Uma interface 'não-ligado' foi exibido quando um contraste de imagem escura ou vazios estavam presentes no local de contorno (Figura 2b). o contraste da imagem escura significado grafite coloidal do procedimento de montagem FIB tinha difundida entre os dois cristais STO devido aos efeitos capilares. Esta interface não-ligado é observada nas bordas do bicrystal, enquanto a interface de união é observada no centro da bicrystal. A alteração no comportamento de ligação a partir da borda para o centro das bicrystals formados por aparelho de SPS é também visto em bicrystals formados através de prensagem a quente techniques 6.

a formação de micro-fenda na maior parte do bicrystal é observado em todas as amostras. Para bicrystals ligados com sucesso, a formação de micro-crack não interfere com a interface ligada. A uma temperatura de ligação de 1200 ° C, extensa micro-fissuração ocorre, levando a falha quebradiça do bicrystal durante o recozimento. Portanto, a temperatura de colagem no aparelho de SPS foi mantida abaixo de 800 ° C para evitar a fractura catastrófica.

Para bicrystals com ângulo 0 ° misorientation a temperaturas de ligação de 600 ° C e 700 ° C, obteve-se uma interface de união com sucesso de 95%. Um aumento no ângulo misorientation do bicrystal para 44,4 ° requer uma temperatura de ligação de 800 ° C e ligação do tempo de 90 minutos para se conseguir uma interface ligado com sucesso 45,8%. TEM de alta resolução (HRTEM) e alta anular ângulo de campo escuromicroscopia eletrônica de transmissão de varredura (HAADF-STEM) micrografias desta amostra revelar uma estrutura de contorno de grão atomicamente abrupto com nenhum filme intergranular ou fases secundárias presentes (Figura 3). Espacialmente resolvida electrões perda de energia espectroscopia (EELS) registados directamente a partir da interface mostra uma redução na separação de campo cristalino dos Ti L 3 e L 2 bordas, bem como uma redução da intensidade da borda OK quando em comparação com a maior parte (Figura 4) .

Bicrystal Torção Orientação (°) Ligação Temperatura (° C) Ligação Tempo (min) Temperatura de emparelhamento (° C) Hibridar Tempo (h) Interface de união ± 0,3 (%)
UMA * 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

Tabela 1. Parâmetros de amarração e Fraction interface subsequente de Bicrystals. aparelho SPSparâmetros de ligação de difusão e subsequentes fracções interface de união de bicrystals STO. Uma tensão de polarização pulsada de ~ 4 V e corrente directa de ~ 550 A é aplicado para todos os experimentos. frações interface de união foram calculados a partir de um comprimento médio contorno de grão de (1,5 ± 0,4) mm. Estas regiões foram tomados a partir de áreas que variam dentro da bicrystal.

figura 1
Figura 1. Aparelho de ignição de plasma Sinterização. Configurada para o aparelho de sinterização faísca plasma. A pressão é aplicada perpendicularmente à interface bicrystal. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. Interfaces típicos encontrados em SPS Apparatus Formado Bicrystals. Nominal 45 ° bicrystal torção formado a uma temperatura de 800 ° C durante 90 minutos. (A) Imagem SEM de interface definida 'ligado ", a localização do limite do grão é inferida pela presença de um vazio facetada, e (b) Imagem SEM da interface definida' não-ligado '. grânulos esféricos são observadas em imagens de sílica residual de polimento. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. Imagens de Alta Resolução de Bicrystal Grain Boundary. Limite do valor nominal bicrystal 45 ° torção formado a uma temperatura de 800 ° C durante 90 minutos gravados em <100> eixo da zona com uma borda na orientação para o plano de interface. ( (b) imagem HRSTEM DF, e (c), composto por dois cristais individuais, um em <100> e um em <110> orientação do eixo zona com um plano {001} interface. Desvios dos dados de imagens experimentais do modelo de estrutura projetada representam mudanças da configuração de interface em comparação com as posições ideais átomo de um único cristal. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. Estrutura e Química de Bicrystal Grain Boundary. Perto borda fina estrutura de (a) a Ti L 2,3 borda e (b) o bordo OK tomada no limite e a maior parte do bicrystal 45 ° torção formado a uma temperatura de 800° C durante 90 minutos. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5. FIB Milling em Bicrystal Grain Boundary. HRTEM imagens TEM de FIB lamela de (uma) amostra com limite de grão paralelo com o feixe de iões e (b) com a amostra de limite do grão perpendicular ao feixe de iões. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

A temperatura de ligação de 1200 ° C foi escolhida para maximizar a difusão de pequenas mudanças de temperatura podem influenciar grandemente a cinética de todos os mecanismos de ligação por difusão. Uma temperatura de 1200 ° C é fora da quebradiço-dúctil gama de temperaturas de transição de STO. No entanto, a amostra passou por ruptura frágil a esta temperatura. A falha catastrófica da bicrystal STO não era inesperado, pois tem STO ~ 0,5% ductilidade a 1200 ° C. Além disso, a amostra foi mantida a uma pressão de 140 MPa, durante todo o processo de aquecimento e STO transita através da sua fase frágil durante este processo de aquecimento em que tem 0% 21 ductilidade. Assim bem sucedida ligação por difusão de cristais individuais através do aparelho SPS requer uma compreensão profunda da temperatura comportamento plasticidade dependente de um material.

Dois bicrystals foram formadas utilizando uma temperatura de ligação de 800 ° C e um tempo de ligação de 20 minutos. obicrystal com um misorientation nominal de 4˚ foi recozida durante 50 horas e exibiram um 2,2x fracção interface de união superior ao bicrystal com misorientation nominal de 45 °, recozida durante 140 horas. tempos de recozimento mais do que 50 horas não revelou qualquer melhoria significativa da qualidade de difusão de ligação. Temperatura e tempo de recozimento foram seleccionados de acordo com trabalho anterior no qual as bicrystals foram formados num forno de alto vácuo, semelhante ao aparelho 11 de SPS. Para verificar se houve um impacto do processo de recozimento sobre a ligação por difusão destes bicrystals, comprimentos de ligação de difusão foram calculados e verificou-se ser de 0,27 nm a uma temperatura de 1200 ° C durante 23 140 horas. Os parâmetros de recozimento selecionados, portanto, só teve impacto limitado na ligação por difusão do bicrystal. Esta análise foi ainda apoiada quando a ligação por difusão de um bicrystal com um misorientation 45 ° torção não foibem sucedida para os mesmos parâmetros utilizados durante o recozimento.

Embora os parâmetros de recozimento selecionados não impactou significativamente a ligação por difusão, o ângulo misorientation tem um efeito pronunciado. ângulos misorientation-de Cima criar um maior desfasamento estrutural entre as duas meias-cristais, o que dificulta a difusão cruzada e diminui a ligação interface. Para ângulos altos misorientation, temperatura e tempo de colagem deve ser aumentada, a fim de ter uma fracção de interface ligado com sucesso maior.

formação Bicrystal via técnicas de processamento SPS ocorre em intervalos temporais significativamente aceleradas e faixas de temperatura moderada em comparação com os métodos de prensagem a quente convencionais. Esta diferença em parâmetros de processamento entre uma ligação por difusão e o método convencional SPS também é visto na formação de pó compactos e compósitos. Como mencionado acima, bicrystals formado através de métodos de ligação por difusão convencionaisformam-se a temperaturas superiores a 1400 ° C com intervalos temporais que variam de 3 a 20 horas, 11 24. Utilizando um instrumento SPS, soldadura por difusão ocorre a uma temperatura de 800 ° C com intervalos temporais que variam de 20 a 90 minutos. A técnica de SPS é então úteis para a ligação por difusão rápida de bicrystals em comparação com métodos convencionais. formação Bicrystal pelo instrumento SPS também permite a observação experimental dos mecanismos de transferência de massa em um contorno de grão com um misorientation selecionado. Esta observação experimental irá fornecer mais detalhes sobre os mecanismos subjacentes à técnica de SPS.

Micro-fissuras na bicrystal STO granel impedido preparação TEM lamela mecânica convencional. O processo de desbaste mecânico levou a fratura da lamela TEM devido a micro-rachaduras se espalhando por toda a massa. Por conseguinte, foi utilizada a preparação FIB da lamela MET. Convencional FIB lift-fora da lamela, no qual o limite do grão é paralela ao feixe de iões, levou a moagem preferencial ao longo do plano de interface (Figura 5a). A técnica de preparação FIB foi posteriormente modificada. Em primeiro lugar, a espessura da camada protectora inicial de carbono e tungsténio foi seleccionada de modo a, no final do passo de elevador-out, a camada protectora foi moída de distância. Se a camada protectora era muito espessa e manteve-se durante todo o processo de desbaste, re-deposição de tungsténio e ocorreu obscurecido análise TEM. Em segundo lugar, depois de a lamela MET foi acoplado à extremidade do micromanipulador, o micromanipulador foi rodado de 180 °. Esta rotação fez com que o limite de grão para ficar perpendicular ao feixe de iões, evitando, portanto, desbaste preferencial (Figura 5b). Por último, após o processo de elevador-out, camadas protectoras de carbono e tungsténio foram depositados sobre a superfície da lamela TEM recém-orientado. Estas modificações para o pr FIB convencionaltécnica eparation levou a uma lamela TEM limpo permitindo imaging resolução atomicamente pelo HAADF-STEM.

HRTEM e HAADF-STEM micrografias para o bicrystal ligados a 800 ° C durante 90 minutos com um 45 ° limite nominal torção grãos mostram uma estrutura de contorno de grão atomicamente resolvido sem fases secundárias. Espacialmente resolvidas ENGUIAS revelam alterações na coordenação Ti dentro dos núcleos nos limites dos grãos, o que indica um aumento na concentração de oxigénio vaga em comparação com a massa. Estes resultados são consistentes com relatos na literatura para baixo ângulo limites torção de grãos 25. Uma análise mais aprofundada destes ensaios é descrito em outra parte 26.

Neste estudo, bicrystals STO foram sintetizados com sucesso, pela primeira vez utilizando um aparelho de SPS. Bicrystals com orientações torção de 0 ° C, 4 °, 45 ° e foram formadas a alta pressão, com temperaturas de ligação e de tempo moderadosescalas em comparação com os parâmetros encontrados em ligação convencional. Formação de bicrystals através do aparelho SPS oferece uma oportunidade para determinar quantitativamente o impacto do campo eléctrico, bem como taxa de aquecimento em estruturas centrais limite de grãos selecionados.

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Acknowledgments

LH agradece o apoio financeiro por um Science Foundation Graduate Research Fellowship US National, Grant No. 1148897. Electron caracterização microscopia e processamento de SPS na UC Davis foi apoiado financeiramente por um prémio Universidade da Califórnia Laboratório Fee (# 12-LR-238313). Trabalho na Fundição Molecular foi apoiado pelo Escritório de Ciência, Instituto de ciências básicas da energia, do Departamento de Energia dos Estados Unidos sob o Contrato Nº 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).

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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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