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Engineering

Spark aparato de plasma sinterización usado para la formación de titanato de estroncio Bicrystals

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

Introduction

Sinterización de plasma de chispa (SPS) es una técnica en la que la aplicación de alta presión uniaxial y cables de corriente continua pulsada a la rápida densificación de polvo compacta 1. Esta técnica también conduce a la formación exitosa de estructuras de materiales compuestos de diversos materiales, incluyendo nitruro de silicio / carburo de silicio, boruro de circonio / carburo de silicio, o carburo de silicio, sin auxiliares de sinterización adicionales requeridos 2, 3, 4, 5. La síntesis de estas estructuras compuestas por convencional de prensado en caliente habían sido difícil en el pasado. Si bien la aplicación de una alta presión uniaxial y velocidad de calentamiento rápido a través de la técnica de SPS mejora la consolidación de polvos y materiales compuestos, el fenómeno que causa esta densificación mejorada debatido en la literatura 2, 3,class = "xref"> 6, 7. También existe sólo información limitada con respecto a la influencia de campos eléctricos sobre la formación de límite de grano y las estructuras atómicas resultantes de los núcleos del límite del grano 8, 9. Estas estructuras de núcleo determinan las propiedades funcionales de materiales sinterizados MSF, incluyendo ruptura eléctrica de condensadores de alto voltaje y la resistencia mecánica y la dureza de óxidos cerámicos 10. Por lo tanto, la comprensión de la estructura de límite de grano fundamental como una función de los parámetros de procesamiento SPS, como corriente aplicada, es necesario para la manipulación de las propiedades físicas generales de un material. Un método sistemático para dilucidar los mecanismos físicos fundamentales que sostienen MSF es la formación de estructuras específicas del límite del grano, es decir, bicrystals. A bicrystal es creado por la manipulación de dos cristales individuales, que luego se diffusión unido con mala orientación específica ángulos de 11. Este método proporciona una forma controlada para investigar las estructuras de núcleo de límite de grano fundamentales en función de los parámetros de procesamiento, la concentración de dopante, y la segregación de impurezas 12, 13, 14.

La unión por difusión depende de cuatro parámetros: temperatura, tiempo, presión y atmósfera de unión 15. Convencional de unión por difusión de titanato de estroncio (SrTiO3, STO) bicrystals se produce típicamente a una presión inferior a 1 MPa, dentro de un rango de temperatura de 1.400-1.500 ° C, y las escalas de tiempo que van desde 3 a 20 horas 13, 14, 16, 17. En este estudio, la unión en un aparato de SPS se logra a escalas de temperatura y tiempo significativamente más bajos en comparaci ó con los métodos convencionales. Para los materiales policristalinos, la reducción de las escalas de temperatura y tiempo a través de MSF limita significativamente el crecimiento del grano, proporcionando de este modo el control ventajosa de propiedades de un material mediante la manipulación de su microestructura.

El aparato de SPS, para una muestra de 5 x 5 mm 2, ejerce una presión mínima de 140 MPa. Dentro de la gama de temperatura de unión por difusión convencional, Hutt et al. informar de inmediato de la fractura STO cuando la presión de unión es superior a 10 MPa 18. Sin embargo, la temperatura STO exhibe un comportamiento dependiente de la plasticidad, lo que indica la presión de unión puede ser superior a 10 MPa a temperaturas específicas. Por encima de 1200 ° C y por debajo de 700 ° C, STO exhibe algunas ductilidad, a la que subraya mayor que 120 MPa se puede aplicar sin fractura instantánea de la muestra. Dentro del rango de temperatura intermedia de 700-1.200 ° C, STO es instantánea fractura frágil y experiencias en sTRESSES mayor que 10 MPa. A 800 ° C, STO tiene deformabilidad menor antes de la fractura a tensiones de menos de 200 MPa 19, 20, 21. Por lo tanto, las temperaturas de unión para la formación de STO bicrystal a través de aparato de SPS deben ser seleccionados de acuerdo con el comportamiento de plasticidad del material.

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Protocol

1. Preparación de la muestra de Monocristal titanato de estroncio

NOTA: STO cristal único se suministra con una superficie (100) pulido con acabado espejo.

  1. Sección STO en 5x5 mm 2 piezas con alambre de sierra de diamante.
  2. Ultrasonidos muestras limpias a 50-60 Hz consecutivamente en baños de acetona, isopropanol y metanol durante quince minutos cada uno.
  3. Retire STO de baño de metanol para colocar inmediatamente en la placa caliente mantenida a una temperatura de 200 ° C. El calentamiento de la muestra después de la limpieza previene la formación de manchas de la evaporación de la alcohol.
  4. Colocar las muestras de diez minutos en ácido fluorhídrico tamponado (pH = 4), un 6: Solución 1 de fluoruro de amonio y ácido fluorhídrico 49%. 22 Esta solución graba el STO, formando un (100) TiO2 predominantemente superficie terminada. Si el lado ópticamente plana del cristal único tiene una pátina arco iris, la muestra ha sido el exceso de grabado al agua fuerte y debe nutilizar ot.
  5. Después de diez minutos en la solución de reactivo de ataque, enjuague muestras en agua desionizada (DI) y después en isopropanol. Secar con aire casa limpia.

2. Formación Bicrystal a través de Spark Plasma sinterización Aparato

NOTA: Para 5x5 mm2 cristal de uso a 30 mm de diámetro de la matriz de grafito. Si un troquel con un diámetro más pequeño que se utiliza 30 mm, la fractura bicrystal catastróficamente durante la unión. tamaño de la pastilla óptima así como la presión ejercida por el aparato de SPS es dependiente del tamaño de los cristales altamente.

  1. Colocar un círculo 30 mm de papel de grafito en un émbolo de grafito con un diámetro de 30 mm. papel de grafito impide STO de la unión al émbolo de grafito durante el experimento.
  2. Apilar dos mm2 STO monocristales 5x5 con sus superficies ópticamente planas colocadas mirando hacia el interior para formar el límite bicrystal. Centrar la pila en la parte superior del papel de grafito y el émbolo.
  3. Rotar la parte superior solo gritoStal todo el <100> eje a un ángulo de mala orientación elegida. La <100> eje es perpendicular a la superficie ópticamente plana de cristal.
  4. Deslizar la matriz de grafito sobre el émbolo y cristales. Colocar un segundo círculo de diámetro 30 mm de papel de grafito y luego émbolo de 30 mm de diámetro en los cristales STO apilados.
  5. Apilar los émbolos combinados y morir en los separadores de grafito en un aparato SPS (Figura 1).
  6. Aplicar una fuerza uniaxial de 3 kN para minimizar la resistencia de contacto con los botones de control del eje z. A lo largo del experimento, el usuario debe mantener la fuerza a los 3 kN a través de los botones de control del eje z.
  7. Inserte termopar tipo K en matriz de grafito en el pequeño agujero, que se muestra en la Figura 1. El termopar se extiende a través de la matriz a la muestra.
  8. Ajuste la presión de la cámara del aparato de MSF a ~ 10 Pa utilizando los pulsadores de vacío.
  9. Seleccione la temperatura de bonos, tiempo y calefacción a través de las tasas de instrumentos programa de cosoftware ntrol (Tabla 1). Para la temperatura de unión y el tiempo, usar una velocidad de calentamiento de 70 a 80 ° C / min y una velocidad de enfriamiento de 50 ° C / min.
  10. Set 12 s, 2 s en off pulso de corriente continua utilizando el instrumento botón de sinterización. Una polarización pulsada de ~ 4 V y la corriente directa de ~ 550 A se aplican de forma incremental a la muestra una vez que el programa está configurado para ejecutarse.
  11. Presione el botón de inicio en la máquina.
  12. Retire la muestra cuando termina el programa. Después de la formación bicrystal, la muestra aparecerá gris-negro debido a la ambiente reductor del aparato de SPS.
  13. Use un horno de alta temperatura a una temperatura de 1200 ° C durante 140 h, aplicar ninguna presión durante este procedimiento, para recocer y volver a oxidar la muestra en aire. Parámetros de recocido se seleccionaron de acuerdo con el trabajo previo realizado por Hutt et al. en el que bicrystals formado en alto vacío 13. Después del recocido, la muestra revela un color blanquecino y se oxida.

  1. Sección transversal bicrystal con alambre de sierra de diamante en 5x1 mm 2 secciones.
  2. muestras de corte transversal polacas con película de recubrimiento de diamante. El tamaño de grano en la película de recubrimiento de diamante se disminuye gradualmente de 9 micras a 0,1 micras. Cambiar a tamaño de grano más pequeño una vez arañazos son uniformes en toda la superficie. Use un movimiento de la platina hacia la izquierda para 9 micras a 6 micras hoja de pulido. Use un movimiento de la platina hacia la izquierda con un cabezal de muestras oscilante de 6 micras a 0,1 micras película de recubrimiento.
  3. muestras de corte transversal polacas con sílice coloidal durante dos minutos usando un paño estera. Continuamente se vierte sílice coloidal sobre la alfombra con un movimiento hacia la izquierda de platina y la cabeza de la muestra oscilante.
  4. Quince segundos antes de extraer la muestra, dejar de verter sílice coloidal y se vierte en agua DI platina. Verter agua DI durante quince segundos, retire la muestra, y enjuagar inmediatamente la muestraDI en agua durante 1 min. Si no se sigue este procedimiento, la sílice coloidal se adhiere la superficie de la muestra y oscurecer el límite de grano durante la microscopía electrónica de barrido (SEM).
  5. Una vez que la muestra se pule a una superficie ópticamente lisa, las muestras de ultrasonidos limpias consecutivamente en baños de acetona, isopropanol, y metanol durante quince minutos cada uno.
  6. Retire STO de baño de metanol para colocar inmediatamente en la placa caliente mantenida a una temperatura de 200 ° C. El calentamiento de la muestra después de la limpieza previene la formación de manchas de la evaporación de la alcohol.
  7. Se monta la muestra de superficie pulida hasta colocarla sobre un trozo de muestra usando el grafito coloidal.
  8. Pulverización catódica superficie de la muestra con la capa de 2-3 nm de carbono. Utilice los siguientes parámetros para el dispositivo de recubrimiento de carbono: una resolución de pulso de 0,2 nm / pulso, la frecuencia de paso de corriente 0,2 A / pulso, pulso de corriente de 40 A, la longitud del pulso de 2 s, y los pulsos máximos de 50.

4. Limpiar la rejilla de cobre FIB

  1. Coloque la rejilla FIB cobre en un baño de isopropanol acetona y después durante 1 hora cada uno.
  2. Plasma cobre limpio rejilla FIB durante 10 minutos.

5. Preparación de Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) laminilla Focused Ion Beam través Aparato (FIB)

NOTA: Todos los parámetros utilizados en la preparación de FIB se escriben o se selecciona a partir de un menú desplegable en el software del aparato de la FIB.

  1. Coloque la muestra STO y la rejilla de cobre en el FIB aparato FIB. El escenario es a los 7 mm.
  2. Encuentra una región de interés a lo largo de la interfaz entre los dos cristales individuales, es decir, el límite de grano.
  3. Seleccione la casilla de diálogo Patrones. En controlan el patrón, seleccione la herramienta Patrón rectangular con superficie de Ce-dep propiedad de la aplicación. Inserte C-dep para la inyección de gas. Depositar un 15 × 2 × 2 m 3 capa protectora de carbon usando el haz de electrones a un voltaje de 5,0 kV, una corriente de 13,0 nA, y un ángulo de inclinación de 0 °. Retraer C-dep.
  4. Seleccione la casilla de diálogo Patrones. En controlan el patrón, seleccione la herramienta Patrón rectangular con propiedad de la aplicación W-dep. Inserte W-dep para la inyección de gas. Depósito de 15 x 2 x 2 m 3 capa protectora de tungsteno utilizando el haz de iones a una tensión de 30,0 kV, una corriente de 0,3 nA, y un ángulo de inclinación de 52 °. Retraer W-dep.
  5. Seleccione la casilla de diálogo Patrones. En controlan el patrón, seleccione la herramienta Patrones sección transversal regular con propiedad de la aplicación de Si. Utilice 22 × 25 × 15 m 3 para el patrón de fondo y de 22 × 27 × 15 m 3 para el patrón superior a una tensión de 30,0 kV, una corriente de 30,0 nA, y un ángulo de inclinación de 52 ° a través del haz de iones. El patrón creará un molino de zanja en ambos lados de la capa protectora.
  6. Seleccione la casilla de diálogo Patrones. En controlan el patrón, seleccione el CleanCorte transversal Herramienta Patrones con propiedad de la aplicación de Si. Utilice 22 × 3 × 60 m 3 para el patrón superior e inferior a una tensión de 30,0 kV y una corriente de 1,0 nA a través del haz de iones. El ángulo de inclinación es de 53,5 ° para el patrón de fondo y 50.5 ° para el patrón superior. El patrón limpia la superficie de la lámina atrincherado del patrón curtaining que resulta de la sección transversal del patrón regular.
  7. Corte un J-patrón en la muestra utilizando la herramienta Patrón rectangular con propiedad de la aplicación de Si. Utilice 2 micras para el ancho a una tensión de 30,0 kV y una corriente de 1,0 nA a través del haz de iones.
  8. Seleccione la casilla de diálogo Ascensor Fácil. Inserte el micromanipulador para la posición de estacionamiento. Bajar el micromanipulador y adjuntar la muestra a la red FIB cobre a través de una soldadura de tungsteno mediante el proceso detallado en 5.4.
  9. El uso de los pasos detallados en 5.7, μcut un U-patrón, continuando desde el original J-modelo, en la muestra usando el haz de iones a una tensión de30,0 kV y una corriente de 1,0 nA.
  10. Levantar la lámina a través de la micromanipulador por encima de la muestra a granel.
  11. Girar el micromanipulador 180 °, por lo que el límite de grano ya no es paralelo al haz de iones, pero perpendicular al haz de iones.
  12. Tungsteno soldar la lámina a una red de FIB cobre usando los pasos detallados en 5,4 con el haz de iones a una tensión de 30,0 kV y una corriente de 0,3 nA.
  13. Cortar el micromanipulador de la lamela utilizando los pasos detallados en 5,7 con el haz de iones a una tensión de 30,0 kV y una corriente de 1,0 nA.
  14. Repita los pasos que se detallan en el apartado 5.3. Depositar una capa de 15 x 2 x 4 m 3 de protección de carbono utilizando un haz de electrones a un voltaje de 5,0 kV, una corriente de 13,0 nA, y un ángulo de inclinación de 0 °.
  15. Repita los pasos que se detallan en el apartado 5.4. Depósito 15 × 2 × 8 micras 3 capa protectora de tungsteno utilizando un haz de iones a una tensión de 30,0 kV, una corriente de 0,3 nA, y un ángulo de inclinación de 52 °.
  16. Conel haz de iones, delgada de la muestra a aproximadamente 200 nm usando una tensión de 30,0 kV y una corriente disminuyendo sistemáticamente de 0,5 nA, 0,3 nA, y 0,1 nA. En esta etapa, un patrón de sección transversal de limpieza se utiliza y la muestra se inclina a un ángulo de 52 ±± 1,5 °.
  17. Con el haz de iones, delgada de la muestra a electrones transparencia utilizando una tensión de 5,0 kV y una corriente de 77,0 pA. En esta etapa, un patrón rectángulo se utiliza con un ángulo de inclinación de 52 ± 3 °.
  18. Retire daños incurridos amorfo de la FIB por la limpieza de la muestra a una tensión de 500 eV y una corriente de 150 mu.
  19. Coloque la muestra en el TEM TEM titular y Soporte de inserción en el microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM). Seleccione 'captura', muestra la imagen de borde de grano.

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Representative Results

Temperatura de unión, tiempo, y el ángulo misorientation eran todos alterada para determinar los parámetros óptimos necesarios para la fracción de interfaz unido máximo posible de la bicrystal STO (Tabla 1). Se consideró que la interfaz "unido" cuando el límite de grano no era visible durante la exploración SEM (Figura 2a). Una interfaz 'no unidos' fue exhibido cuando estaban presentes en el lugar de frontera (Figura 2b) un contraste de la imagen oscura o huecos. contraste de la imagen oscura significó grafito coloidal del procedimiento de montaje FIB se había difundido entre los dos cristales STO debido a los efectos capilares. Esta interfaz no trabada se observa en los bordes de la bicrystal, mientras que la interfaz conjunto se observa en el centro de la bicrystal. El cambio en el comportamiento de unión desde el borde hasta el centro de los bicrystals formados por aparatos MSF también se observa en bicrystals formados mediante prensado en caliente techniquES 6.

la formación de micro-grietas en la mayor parte de la bicrystal se observa en todas las muestras. Para bicrystals unidas con éxito, la formación de micro-grietas no interfiere con la interfaz de servidumbre. A una temperatura de unión de 1.200 ° C, extensa micro-agrietamiento se produce, lo que lleva a la rotura frágil de la bicrystal durante el recocido. Por lo tanto, la temperatura de unión en el aparato de SPS se mantuvo por debajo de 800 ° C para evitar la fractura catastrófica.

Para bicrystals con 0 ° de ángulo de desorientación a temperaturas de unión de 600 ° C y 700 ° C, se obtuvo un 95% interfaz vinculada con éxito. Un aumento en el ángulo de la misorientation bicrystal a 44,4 ° requiere una temperatura de unión de 800 ° C el tiempo y la unión de 90 minutos para lograr una interfaz unida con éxito 45,8%. TEM de alta resolución (HRTEM) y alto ángulo de campo oscuro anularmicroscopía electrónica de transmisión (HAADF-STEM) micrografías de esta muestra revelan una estructura de límite de grano atómicamente brusco con ninguna película intergranular o fases secundarias presentes (Figura 3). Espectroscopia de pérdida de energía de electrones resolución espacial (EELS) registrados directamente desde la interfaz muestra una reducción en la división del campo cristalino de los bordes Ti L 3 y L 2, así como una reducción en la intensidad de borde OK cuando se compara con la mayor (Figura 4) .

Bicrystal Orientación giro (°) Temperatura Bond (° C) Tiempo Bond (min) Temperatura de recocido (° C) Tiempo Recocido (h) Interfaz unido ± 0,3 (%)
UN 0 * 1200 15 1,200 dieciséis -
segundo 0 600 90 1,200 100 92.3
do 0 700 90 1,200 100 99.7
re 4,3 ± 0,3 800 20 1,200 50 79.2
mi 45 * 700 60 1,200 140 1.3
F 46,1 ± 0,5 800 20 1,200 140 35.4
GRAMO 44,4 ± 0,1 800 90 1,200 140 45.8

Tabla 1. Parámetros de ligación y Fracción interfaz posterior de Bicrystals. aparato de MSFparámetros de unión por difusión y posteriores fracciones interfaz conjunto de bicrystals STO. Un voltaje de polarización pulsada de ~ 4 V y la corriente directa de ~ 550 A se aplica para todos los experimentos. fracciones de interfaz unidas se calcularon a partir de una longitud media de límite de grano (1,5 ± 0,4) mm. Estas regiones fueron tomadas de zonas diferentes dentro de la bicrystal.

Figura 1
Figura 1. Spark Plasma sinterización Aparato. La configuración de los aparatos de sinterización por descarga de plasma. La presión se aplica perpendicular a la interfaz bicrystal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2. Interfaces típicos que se encuentran en el SPS ApFormado paratus Bicrystals. Nominal 45 ° giro bicrystal formado a una temperatura de 800 ° C durante 90 minutos. (A) imagen SEM de interfaz definida 'unida', la ubicación del límite de grano se infiere por la presencia de un vacío facetas, y (b) imagen SEM de la interfaz definida 'no unido'. perlas esféricas observados en las imágenes son de sílice residual de pulido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3. Imágenes de Alta Resolución de Bicrystal grano de Límites. Límites del valor nominal bicrystal 45 ° giro formado a una temperatura de 800 ° C durante 90 minutos grabados en <100> eje de zona con un borde-en la orientación para el plano de interfaz. ( (b) imagen HRSTEM DF, y (c) Modelo de estructura compuesta de dos cristales individuales, una en <100> y uno en <110> orientación del eje de zona con un plano {001} de interfaz. Las desviaciones de los datos de imágenes experimentales desde el modelo de estructura proyectada representan cambios en la configuración de la interfaz en comparación con las posiciones ideales de átomos de un solo cristal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4. Estructura y Química de Bicrystal grano de Límites. Cerca del borde de la estructura fina de (a) el 2,3 borde Ti L y (b) el borde Aceptar tomada en la frontera y el grueso de bicrystal 45 ° giro formado a una temperatura de 800° C durante 90 minutos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5
Figura 5. FIB fresado en Bicrystal grano de Límites. Imágenes HRTEM de FIB TEM laminilla de (a) muestra con límite de grano paralelo al haz de iones y (b) muestra con límite de grano perpendicular al haz de iones. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

La temperatura de unión de 1.200 ° C fue elegido para maximizar la difusión como pequeños cambios de temperatura pueden afectar en gran medida la cinética de todos los mecanismos de unión por difusión. Una temperatura de 1200 ° C está fuera del rango de temperatura de transición frágil-dúctil de STO. Sin embargo, la muestra se sometió a rotura frágil a esta temperatura. El fallo catastrófico de la bicrystal STO no era inesperado ya que tiene STO ~ 0,5% ductilidad a 1200 ° C. Además, la muestra se mantuvo a una presión de 140 MPa durante todo el proceso de calentamiento y STO transiciones a través de su etapa frágil durante este proceso de calentamiento donde tiene 0% ductilidad 21. De esta manera exitosa unión por difusión de monocristales a través del aparato de MSF hace necesario un conocimiento profundo del comportamiento de la plasticidad dependiente de la temperatura de un material.

Dos bicrystals se formaron usando una temperatura de unión de 800 ° C y un tiempo de unión de 20 minutos. losbicrystal con una mala orientación nominal de 4˚ se recoció durante 50 horas y exhibió una fracción 2.2x interfaz conjunto mayor que la bicrystal con mala orientación nominal de 45 °, recocido durante 140 horas. tiempos de recocido más largos de 50 horas no mostraron ninguna mejora significativa de la calidad de unión por difusión. Temperatura y tiempo de recocido fueron seleccionadas de acuerdo con el trabajo previo en el que se formaron los bicrystals en un horno de alto vacío, similar al aparato de SPS 11. Para determinar si hubo un impacto del proceso de recocido en la unión por difusión de estos bicrystals, longitudes de enlace de difusión se calcularon y se encontró que 0,27 nm a una temperatura de 1.200 ° C durante 140 horas 23. Los parámetros de recocido seleccionados, por tanto, sólo tuvieron un impacto limitado en la unión por difusión de la bicrystal. Este análisis fue apoyado además cuando la unión por difusión de un bicrystal con una mala orientación de 45 ° giro no fueexitoso para los mismos parámetros utilizados durante el recocido.

Mientras que los parámetros de recocido seleccionados no afectaron significativamente la unión por difusión, el ángulo misorientation tiene un efecto pronunciado. misorientation ángulos de alto ángulo crean un mayor desajuste estructural entre las dos mitades de cristales, lo que dificulta la difusión transversal y disminuye la unión de interfaz. Para ángulos altos misorientation, temperatura de unión y el tiempo se deben aumentar con el fin de tener una fracción más grande de interfaz unido con éxito.

Bicrystal la formación a través de técnicas de procesamiento de MSF se produce a escalas veces significativamente acelerados y los rangos de temperatura moderada en comparación con los métodos convencionales de prensado en caliente. Esta diferencia en los parámetros de procesamiento entre la unión por difusión convencional y el método SPS también se observa en la formación de polvos compactos y materiales compuestos. Como se mencionó anteriormente, bicrystals formado a través de métodos de unión por difusión convencionalesse forman a temperaturas superiores a 1400 ° C con escalas de tiempos que van de 3 a 20 horas 11, 24. El uso de un instrumento de SPS, la unión por difusión se produce a una temperatura de 800 ° C con escalas de tiempos que van de 20 a 90 minutos. La técnica de SPS es entonces útiles para la unión por difusión rápida de bicrystals comparación con los métodos convencionales. formación Bicrystal por el instrumento MSF también permite la observación experimental de los mecanismos de transferencia de masa en un límite de grano con una mala orientación seleccionada. Esta observación experimental proporcionará más información sobre los mecanismos que sustentan la técnica de MSF.

Microfisuras en la bicrystal STO mayor impidieron la preparación de láminas TEM mecánica convencional. El proceso de adelgazamiento mecánico condujo a la fractura de la lámina TEM debido a micro-grietas se extienden por toda la masa. Por lo tanto, se utilizó la preparación de la lámina FIB TEM. L convencional FIBift de salida de la lámina, en el que el límite de grano es paralelo al haz de iones, dirigido a la molienda preferencial a lo largo del plano de interfaz (Figura 5a). La técnica de preparación FIB se modificó posteriormente. En primer lugar, se selecciona el espesor de la capa de protección inicial de carbono y tungsteno así, al final de la etapa de elevación de salida, la capa protectora se molió de distancia. Si la capa de protección era demasiado gruesas y se mantuvo durante todo el proceso de adelgazamiento, re-deposición de tungsteno se produjo y oscurecida análisis TEM. En segundo lugar, después de la lamela TEM se adjunta a la punta de la micromanipulador, el micromanipulador se hizo girar en 180 °. Esta rotación causó el límite de grano para ser perpendicular al haz de iones, por lo tanto, la prevención de adelgazamiento preferencial (Figura 5b). Por último, después del proceso de elevación-out, capas protectoras de carbono y tungsteno se depositaron sobre la superficie de la lámina TEM recién orientado. Estas modificaciones a la pr FIB convencionaleparation técnica condujo a una laminilla TEM limpia que permite imágenes de resolución atómica por HAADF-STEM.

HRTEM y HAADF-STEM micrografías de la bicrystal enlazado a 800 ° C durante 90 minutos con un límite de 45 ° giro nominal de granos muestran una estructura de límite de grano atómicamente resuelto sin fases secundarias. Espacialmente EELS resueltos revelan cambios en la coordinación Ti dentro de los núcleos de contorno de grano, lo que indica un aumento en la concentración de vacantes de oxígeno en comparación con el grueso. Estos resultados son consistentes con informes en la literatura de bajo ángulo límites de grano giro 25. El análisis adicional de estos experimentos se describe en otro 26.

En este estudio, bicrystals STO se sintetizaron con éxito por primera vez usando un aparato de MSF. Bicrystals con orientaciones de giro de 0 °, 4 °, 45 ° y se formaron a alta presión con temperaturas de unión moderado y tiempoescalas en comparación con los parámetros encontrados en la unión convencional. Formación de bicrystals a través del aparato de MSF ofrece la oportunidad de determinar cuantitativamente el impacto del campo eléctrico, así como la velocidad de calentamiento en las estructuras básicas del límite de grano seleccionados.

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Acknowledgments

LH agradece el apoyo financiero por una Fundación de Ciencias de Graduados Beca de Investigación Nacional de Estados Unidos con la subvención No. 1148897. Electron caracterización microscopía y procesamiento de MSF en UC Davis fue apoyado financieramente por un premio de la Universidad de California Laboratorio de Tarifa (# 12-LR-238313). El trabajo en la fundición molecular fue apoyada por la Oficina de Ciencia, Oficina de Ciencias Básicas de la Energía, del Departamento de Energía de Estados Unidos bajo el 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

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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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