Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Spark Plasma Sintring apparat som används för bildandet av strontium titanate Bicrystals

Published: February 9, 2017 doi: 10.3791/55223

Introduction

Spark plasma sintring (SPS) är en teknik där applicering av hög enaxlade tryck och pulsade likströms leder till den snabba förtätningen av pulver komprimerar en. Denna teknik leder också till den framgångsrika bildningen av kompositstrukturer från olika material, inklusive kiselnitrid / kiselkarbid, zirkonium borid / kiselkarbid eller kiselkarbid, med inga ytterligare sintringshjälpmedel som krävs två, tre, fyra, fem. Syntesen av dessa kompositstrukturer genom konventionell varmpressning hade varit utmanande i det förflutna. Även tillämpning av en hög enaxlade tryck och snabb uppvärmning takt via SPS teknik förbättrar konsolidering av pulver och kompositer, fenomenet som orsakar denna förbättrade förtätning diskuteras i litteraturen 2, 3,class = "xref"> 6, 7. Det finns också finns endast begränsad information om inverkan av elektriska fält på korngränsbildning och de resulterande atomstrukturer av korngränskärnor 8, 9. Dessa kärnstrukturer fastställa de funktionella egenskaperna hos SPS sintrade material, inklusive elektrisk uppdelning av högspänningskondensatorer och den mekaniska hållfastheten och segheten hos keramiska oxider 10. Därför att förstå den fundamentala korngränsstrukturen som en funktion av SPS processparametrar, såsom pålagd ström, som är nödvändigt för manipulering av ett materials totala fysikaliska egenskaper. En metod för att systematiskt belysa de grundläggande fysikaliska mekanismer som ligger till grund SPS är bildandet av särskilda korngränsstrukturer, dvs, bicrystals. En bicrystal skapas genom manipulation av två en-kristaller, som sedan diffusionen bunden med specifik felorientering vinklar 11. Denna metod ger ett kontrollerat sätt för att undersöka de grundläggande korngränskärnstrukturer som en funktion av processparametrar, dopämne koncentration och orenhets segregering 12, 13, 14.

Diffusionsbindning är beroende av fyra parametrar: temperatur, tid, tryck och bindning atmosfär 15. Konventionell diffusionsbindning av strontium-titanat (SrTiOa 3, STO) bicrystals typiskt sker vid ett tryck under 1 MPa, inom ett temperaturområde av 1,400-1,500 ° C, och tidsskalor som sträcker sig från 3 till 20 timmar 13, 14, 16, 17. I denna studie är bindning i en SPS apparat uppnås vid betydligt lägre temperatur och tidsskalor i cÄMFÖRELSE konventionella metoder. För polykristallina material, reducerad temperatur och tidsskalor via SPS begränsar avsevärt korntillväxt, vilket ger fördelaktig styrning av ett materials egenskaper genom manipulering av dess mikrostruktur.

SPS kretsar, för en 5 x 5 mm 2 prov, utövar ett minimitryck på 140 MPa. Inom den konventionella temperaturområdet diffusionsbondning, Hutt et al. rapportera momentan fraktur på STO när bindningstrycket överstiger 10 MPa 18. Men STO uppvisar temperaturberoende plasticitet beteende, vilket indikerar bindningstryck kan överstiga 10 MPa vid specifika temperaturer. Över 1200 ° C och under 700 ° C, STO uppvisar några seghet, där betonas mer än 120 MPa kan användas utan momentan fraktur på provet. Inom det mellanliggande temperaturområdet 700-1,200 ° C, är STO spröd och erfarenheter momentana brott vid sflätor större än 10 MPa. Vid 800 ° C, har STO mindre deformerbarhet före fraktur vid påkänningar mindre än 200 MPa 19, 20, 21. Följaktligen måste bindningstemperaturer för STO bicrystal bildning via SPS anordning väljas i enlighet med den plasticitet beteende hos materialet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Provberedning av Single Crystal strontium titanoxid

OBS: Enkel kristall STO levereras med en (100) yta poleras till spegelfinish.

  1. Avsnitt STO till 5x5 mm 2 bitar med hjälp av diamanttråd såg.
  2. Rengöras med ultraljud prover vid 50-60 Hz varandra i bad av aceton, isopropanol och metanol för femton minuter vardera.
  3. Ta STO från metanol bad att omedelbart placera på varm platta som hölls vid en temperatur på 200 ° C. Upphettning av provet efter rengöring förhindrar bildandet av avdunstning observation från alkoholen.
  4. Placera prover för tio minuter i buffrad fluorvätesyra (pH = 4), en 6: 1-lösning av ammoniumfluorid och 49% fluorvätesyra. 22 Denna lösning etsar STO, bildar en övervägande (100) TiO 2 avslutas yta. Om optiskt platta sidan av enkristallen har en regnbåge patina, har provet varit över etsade och bör not användas.
  5. Efter tio minuter i etsningslösningen, skölj prov i avjoniserat (DI) vatten och därefter i isopropanol. Torka med rent hus luft.

2. Bicrystal Bildning via Spark Plasma Sintring Apparatus

OBS: För 5x5 mm 2 kristall användning en 30 mm grafit diameter dö. Om ett munstycke med en diameter mindre än 30 mm används, frakturer den bicrystal katastrofalt under bindningen. Optimal dö storlek samt påtryckningar från SPS apparaten är i hög grad beroende på storleken av kristallerna.

  1. Placera en 30 mm cirkel av grafit papper på en grafitkolv med en 30 mm diameter. Grafitpapper förhindrar STO från bindning till grafitkolven under experimentet.
  2. Stack två 5x5 mm 2 STO enkristaller med sina optiskt plana ytor placerade inåt för att bilda bicrystal gränsen. Bunten centreras på toppen av grafitpapper och kolven.
  3. Vrid den övre enda ropstal runt <100> axel till en vald felorienteringsvinkel. <100> axeln är vinkelrät mot den optiskt plana ytan av kristallen.
  4. Skjut grafitform under kolven och kristaller. Placera en andra 30 mm cirkeldiameter av grafit papper och sedan kolven 30 mm diameter över de staplade STO kristaller.
  5. Stapla kombinerade kolvarna och dö på grafit distanser i SPS apparat (Figur 1).
  6. Applicera en enaxlig kraft 3 kN för att minimera kontaktmotstånd med hjälp av z-axelkontrollknappar. Under hela experimentet, måste användaren hålla kraften vid 3 kN via z-axelkontrollknappar.
  7. Infoga k-typ termoelement i grafitform vid det lilla hålet, som visas i figur 1. Termoelementet sträcker sig genom matrisen till provet.
  8. Ställ in kammartryck på SPS apparaten till ~ 10 Pa med hjälp av vakuumtryckknappar.
  9. Välj obligations temperatur, tid, och uppvärmningshastigheter via program instrument control programvara (tabell 1). För bindningstemperaturen och tid, använda en upphettningshastighet av 70 till 80 ° C / min och en kylningshastighet av 50 ° C / min.
  10. Ställ 12 s på, 2 s utanför DC puls med hjälp av instrumentet sintring knappen. En pulsad förspänning ~ 4 V och likström ~ 550 A appliceras stegvis till provet när programmet är inställd på att köra.
  11. Tryck på startknappen på maskinen.
  12. Ta provet när programmet avslutas. Efter bicrystal formation, kommer provet att visas grå-svart på grund av den reducerande miljön i SPS apparaten.
  13. Använda en hög ugnstemperatur vid en temperatur av 1200 ° C under 140 h, applicera något tryck under detta förfarande, för att glödga och åter oxidera provet i luft. Härdningsparametrar valdes enligt tidigare arbete som utförts av Hutt et al. i vilken bicrystals bildas i högvakuum 13. Efter glödgning, avslöjar provet en benvit färg och oxideras.

  1. Tvärsnitt bicrystal med diamantwire såg till 5x1 mm 2 sektioner.
  2. Polska tvärsnitt prover med diamantläppning film. Kornstorleken på diamantläppning filmen gradvis minskat från 9 pm till 0,1 pm. Byt till mindre kornstorlek när repor är enhetliga i hela ytan. Använd en moturs valsen förslag till 9 pm till 6 pm som slår film. Använd en moturs valsen rörelse med en oscillerande provhuvud för 6 pm till 0,1 pm läpp film.
  3. Polska tvärsnitt prover med kolloidal kiseldioxid under två minuter med en matta duk. Kontinuerligt hälla kolloidal kiseldioxid på mattan med moturs valsen rörelse och oscillerande provhuvud.
  4. Femton sekunder innan du tar bort provet, sluta hälla kolloidal kiseldioxid och häll DI vatten på plattan. Häll DI vatten i femton sekunder, ta prov, och skölj omedelbart provi avjoniserat vatten under 1 min. Om detta förfarande inte följs, kommer kolloidalt kisel binda provets yta och skymma korngränsen under svepelektronmikroskop (SEM).
  5. När provet är polerad till en optiskt slät yta, med ultraljud rena prover i följd i bad av aceton, isopropanol och metanol för femton minuter vardera.
  6. Ta STO från metanol bad att omedelbart placera på varm platta som hölls vid en temperatur på 200 ° C. Upphettning av provet efter rengöring förhindrar bildandet av avdunstning observation från alkoholen.
  7. Mount prov polerad yta upp på en prov stöta hjälp av kolloidal grafit.
  8. Spotta coat provytan med 2-3 nm av kol. Använda följande parametrar för kolet beläggare: en puls upplösning på 0,2 nm / puls, aktuella steghastighet av 0,2 A / puls, pulsström av 40 A, pulslängd av 2 s, och maximala pulser av 50.

4. Rengöring av FIB Copper Grid

  1. Placera koppar FIB galler i en aceton och därefter isopropanol bad för en timme vardera.
  2. Plasma ren koppar FIB nätet för 10 minuter.

5. Beredning av transmissionselektronmikroskopi (TEM) Lamell via Fokuserad jonstråle (FIB) Apparat

OBS: Alla parametrar som används i FIB beredning skrivs eller väljs från en rullgardinsmeny i FIB apparaten programvara.

  1. Placera STO prov och koppar FIB rutnät i FIB apparat. Scenen är på 7 mm.
  2. Hitta ett område av intresse längs gränsytan mellan de två enkel kristaller, dvs korngränsen.
  3. Välj Mönstring dialogrutan. I mönstring Control, välj rektangel Mönstring Tool med tillämpning fastighets Ce-DEP yta. Sätt C-DEP för gas injektion. Sätt in en 15 x 2 x 2 pm 3 skyddande skikt av cArbon med användning av elektronstråle vid en spänning av 5,0 kV, en ström på 13,0 nA, och en lutningsvinkel av 0 °. Dra tillbaka C-dep.
  4. Välj Mönstring dialogrutan. I mönstring Control, välj rektangel Mönstring Tool med tillämpning egendom W-DEP. Sätt W-DEP för gas injektion. Insättning 15 x 2 x 2 | j, m 3 skyddande skikt av volfram med hjälp av jonstrålen vid en spänning av 30,0 kV, en ström av 0,3 nA, och en lutningsvinkel av 52 °. Dra tillbaka W-dep.
  5. Välj Mönstring dialogrutan. I mönstring Control, välj den återkommande Tvärsnitt Mönstring Tool med ansökan egendom Si. Använda 22 × 25 × 15 | j, m 3 för den undre mönstret och av 22 × 27 × 15 | j, m 3 för den översta mönstret vid en spänning av 30,0 kV, en ström på 30,0 nA, och en lutningsvinkel av 52 ° via jonstrålen. Mönstret kommer att skapa ett dike kvarnen på båda sidor av det skyddande skiktet.
  6. Välj Mönstring dialogrutan. I mönstring Control, välj CleanTvärsnitt Mönstring Tool med ansökan egendom Si. Använda 22 × 3 × 60 | j, m 3 för den övre och nedre mönster vid en spänning av 30,0 kV och en strömstyrka av 1,0 nA via jonstrålen. Lutningsvinkeln är 53,5 ° för botten mönster och 50,5 ° för övre mönstret. Mönstret rengör ytan på den nedgrävda lamellen från curtaining mönstret som resulterar från den vanliga tvärsnittet mönstring.
  7. Skär en J-mönster i provet med hjälp av rektangel Mönstring verktyg med tillämpning egendom Si. Använda 2 | j, m för bredden vid en spänning av 30,0 kV och en strömstyrka av 1,0 nA via jonstrålen.
  8. Välj Easy Lift dialogrutan. Sätt mikromanipulator till parkeringsläget. Sänk mikromanipulator och fäst provet till koppar FIB nätet via en volframsvets användning av förfarandet som beskrivs i 5.4.
  9. Med hjälp av stegen som beskrivs i 5.7, μcut en U-mönster, fortsätter från den ursprungliga J-mönster, i provet med hjälp av jonstrålen vid en spänning av30,0 kV och en strömstyrka av 1,0 nA.
  10. Lyft lamellen via mikromanipulator ovanför samlingsprovet.
  11. Rotera mikromanipulator 180 °, så korngränsen inte längre är parallell med jonstråle, men vinkelrätt mot jonstrålen.
  12. Volfram svetsa lamellen till en koppar FIB rutnät med hjälp av stegen som beskrivs i 5.4 med jonstrålen vid en spänning av 30,0 kV och en strömstyrka på 0,3 nA.
  13. Skär mikromanipulator från lamellen med hjälp av stegen som beskrivs i 5.7 med jonstrålen vid en spänning av 30,0 kV och en strömstyrka av 1,0 nA.
  14. Upprepa stegen som beskrivs i 5.3. Deponera en 15 x 2 x 4 ^ m 3 skyddsskikt av kol med användning av en elektronstråle vid en spänning av 5,0 kV, en ström på 13,0 nA, och en lutningsvinkel av 0 °.
  15. Upprepa stegen som beskrivs i 5.4. Insättning 15 x 2 x 8 ^ m 3 skyddande skikt av volfram med hjälp av en jonstråle vid en spänning av 30,0 kV, en ström av 0,3 nA, och en lutningsvinkel av 52 °.
  16. Medjonstrålen, tunn provet till ca 200 nm med en spänning på 30,0 kV och en systematiskt minskande ström av 0,5 nA, 0,3 nA, och 0,1 nA. I detta skede är en rengörings tvärsnitt mönster som används och provet lutas till en vinkel på 52 ±± 1,5 °.
  17. Med jonstrålen, för att förtunna provet elektron dia under användning av en spänning av 5,0 kV och en ström på 77,0 pA. I detta skede är en rektangel mönster används med en lutningsvinkel av 52 ± 3 °.
  18. Ta amorf skador som uppstått från FIB genom att rengöra provet vid en spänning på 500 eV och en ström av 150 | iA.
  19. Placera TEM prov i TEM hållare och skärhållaren i sveptransmissionselektronmikroskop (STEM). Välj "Capture", bild provkorngräns.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bindningstemperatur, tid och felorienteringsvinkel var alla ändras för att bestämma optimala parametrar som behövs för den maximalt möjliga fogens gränsyta fraktion av STO bicrystal (tabell 1). Gränssnittet ansågs "bunden" när korngränsen var inte synlig under SEM avbildning (Figur 2a). En "icke-bundna" gränssnitt visades när en mörk bildkontrast eller hålrum var närvarande vid gräns plats (Figur 2b). Mörk bild kontrast innebar kolloidal grafit från FIB monteringsförfarandet hade spritt mellan de båda STO kristallerna på grund av kapillära effekter. Denna icke-fogens gränsyta observeras vid kanterna av bicrystal, medan fogens gränsyta observeras vid centrum av bicrystal. Förändringen i bindning beteende från kanten till mitten av bicrystals bildas av SPS apparaten också ses i bicrystals bildade via varmpressning techniques 6.

Mikro-sprickbildning i bulken av bicrystal observeras i samtliga prover. För framgångsrikt bundna bicrystals, inte mikrosprickor inte störa bundna gränssnitt. Vid en bindningstemperatur av 1200 ° C, sker omfattande mikrosprickor, vilket leder till sprödbrott av bicrystal under glödgning. Därför var bindningstemperatur i SPS apparaten hålls under 800 ° C för att förhindra katastrofala brott.

För bicrystals med 0 ° felorienteringsvinkel vid bindningstemperaturer av 600 ° C och 700 ° C, tillsattes en 95% framgångsrikt fogens gränsyta erhålls. En ökning av felorienteringsvinkel av bicrystal till 44,4 ° kräver en bindningstemperatur 800 ° C och limning tid av 90 minuter för att uppnå en 45,8% framgångsrikt fogens gränsyta. Högupplöst TEM (HRTEM) och hög vinkel ringformiga mörka fältsveptransmissionselektronmikroskop (HAADF-STEM) mikrofotografier av detta prov visar en Atomically abrupt korngränsstruktur utan inter film eller sekundära faser närvarande (Figur 3). Spatialt upplöst elektronenergiförlustspektroskopi (EELS) registreras direkt från gränssnittet visar en minskning av kristallfältet uppdelning av de Ti L 3 och L 2 kanter samt en minskning av den OK kantintensiteten vid jämförelse med bulken (Figur 4) .

Bicrystal Twist Orientation (°) Bindning Temperatur (° C) Bond Tid (min) Glödgning Temperatur (° C) Glödgning Tid (h) Fogens gränsyta ± 0,3 (%)
en 0 * 1200 15 1200 16 -
B 0 600 90 1200 100 92,3
C 0 700 90 1200 100 99,7
D 4,3 ± 0,3 800 20 1200 50 79,2
E 45 * 700 60 1200 140 1,3
F 46,1 ± 0,5 800 20 1200 140 35,4
G 44,4 ± 0,1 800 90 1200 140 45,8

Tabell 1. Limning parametrar och efterföljande Interface fraktion av Bicrystals. SPS apparatdiffusionsbindning parametrar och efterföljande bundna fraktioner gränssnitts STO bicrystals. En pulsad förspänning av ~ 4 V och likström på ~ 550 A tillämpas för alla experiment. Bundna fraktioner gränssnitt beräknades från en genomsnittlig korngränslängd (1,5 ± 0,4) mm. Dessa regioner togs från olika områden inom den bicrystal.

Figur 1
Figur 1. Spark Plasma Sintring Apparatus. Ställ upp för tändplasmasintringsapparat. Tryck anbringas vinkelrätt mot bicrystal gränssnitt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2. Typiska gränssnitt Funna i SPS Apparatus Bildas Bicrystals. nominell 45 ° twist bicrystal bildas vid en temperatur av 800 ° C under 90 minuter. (A) SEM-bild av definierade "bundna" gränssnitt, är korngräns plats härledas genom närvaron av en mångfacetterad tomrum, och (b) SEM-bild av den definierade "obundna" gränssnitt. Sfäriska pärlor som observerats i bilderna är rest kiseldioxid från polering. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. högupplöst avbildning av Bicrystal Grain Boundary. Gränsen av nominellt 45 ° twist bicrystal bildas vid en temperatur av 800 ° C under 90 minuter som registrerats i <100> zon axel med en kant-on orientering för gränssnittsplanet. ( (b) HRSTEM DF bild, och (c) strukturmodell bestående av två enkelkristaller, en i <100> och en i <110> zon axelorientering med en {001} gränssnittsplanet. Avvikelserna för de experimentella bilddata från den planerade strukturen modell representerar förändringar av gränssnittet konfigurationen jämfört med den ideala enda kristall atompositioner. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. Struktur och kemi Bicrystal Grain Boundary. Nära kanten-fin struktur av (a) Ti L 2,3 kant och (b) på OK-kanten tagen vid gränsytan och huvuddelen av 45 ° twist bicrystal bildas vid en temperatur av 800° C i 90 minuter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5. FIB Fräsning vid Bicrystal Grain Boundary. HRTEM bilder av FIB TEM lamell av (a) prov med korngräns parallell med jonstrålen och (b) provet med korngränsvinkelrätt mot jonstrålen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bindningstemperatur 1200 ° C valdes för att maximera diffusion som små förändringar i temperatur i hög grad kan påverka kinetiken för alla diffusionsbindning mekanismer. En temperatur av 1200 ° C ligger utanför den spröda-plastiska övergångstemperaturintervall av STO. Emellertid provet genomgick sprödbrott vid denna temperatur. Den katastrofala misslyckande STO bicrystal var inte oväntat eftersom STO har ~ 0,5% duktilitet vid 1200 ° C. Också ades provet hölls vid ett tryck av 140 MPa under hela uppvärmningsprocessen och STO övergångar genom dess spröda stadium under denna upphettningsprocess där den har 0% duktilitet 21. Således framgångsrik diffusionsbindning av enkristaller via SPS apparat kräver en fördjupad förståelse av temperaturberoende plasticitet beteendet hos ett material.

Två bicrystals bildades med användning av en bindningstemperatur 800 ° C och en bindning tid av 20 minuter. Debicrystal med en nominell felorientering av 4˚ glödgades under 50 timmar och uppvisade en bunden gränssnitt fraktion 2,2X större än bicrystal med nominella felorientering av 45 °, glödgad under 140 timmar. Härdnings gånger längre än 50 timmar visade inte någon signifikant förbättring av den diffusionsbindning kvalitet. Glödgningstemperaturen och tiden valdes ut enligt tidigare arbete där bicrystals bildades i ett högt vakuum ugn, liknande SPS anordningen 11. För att fastställa om det fanns en inverkan av glödgningsförloppet på diffusionsbindning av dessa bicrystals ades diffusion bindningslängder beräknas och befanns vara 0,27 nm vid en temperatur av 1200 ° C under 140 timmar 23. De valda härdningsparametrarna hade därför endast begränsad inverkan på diffusionsbindning av bicrystal. Denna analys stöddes ytterligare när diffusionsbindning av en bicrystal med en 45 ° vridning felorientering var inteframgångsrikt för samma parametrar som används under glödgning.

Medan de valda härdningsparametrarna inte signifikant påverka diffusionsbondning, inte felorienteringsvinkel har en uttalad effekt. Hög vinkel felorientering vinklar skapar en större strukturell obalans mellan de två halv kristaller, som hindrar tvär diffusion och minskar gränssnitt bindning. För höga felorientering vinklar, måste bindningstemperaturen och tid ökas i syfte att ha en större framgång fogens gränsyta fraktionen.

Bicrystal formation via SPS bearbetningstekniker sker vid betydligt snabbare gånger skalor och måttliga temperaturområden jämfört med konventionella varmpress metoder. Denna skillnad i behandlingsparametrar mellan konventionell diffusionsbindning och SPS-metoden ses också i bildandet av pulverpresskroppar och kompositer. Såsom nämnts ovan, bicrystals bildade via konventionella diffusion bindningsmetoderär bildade vid temperaturer högre än 1400 ° C med gånger skalor som sträcker sig från 3 till 20 timmar 11, 24. Med användning av en SPS instrument, uppstår diffusionsbindning vid en temperatur av 800 ° C med gånger skalor som sträcker sig från 20 till 90 minuter. SPS-tekniken är därefter användbara för den snabba diffusionsbindning av bicrystals jämfört med konventionella metoder. Bicrystal bildning av SPS instrument kan också för experimentell observation av massöverföringsmekanismer vid en korngräns med en vald felorientering. Denna experimentella observation kommer att ge mer insikt i de mekanismer som ligger till grund för SPS tekniken.

Mikrosprickor i bulk STO bicrystal hindrade konventionell mekanisk TEM lameller förberedelse. Den mekaniska gallring process ledde till fraktur på TEM lamell på grund av mikrosprickor sprids i hela bulk. Därför var FIB beredning av TEM lameller används. Konventionell FIB lift-out av lamellen, i vilket korngräns är parallell med jonstrålen, ledde till preferens fräsning längs gränssnittsplanet (Figur 5a). FIB framställningsteknik därefter ändrats. Först var tjockleken av det ursprungliga skyddande skikt av kol och volfram så vald, vid slutet av den framlyftningssteget, var det skyddande skiktet fräsas bort. Om skyddsskiktet var alltför tjock och förblev under hela gallring processen, åter nedfall av volfram inträffade och skyms TEM-analys. För det andra, efter det att TEM lamell var fäst till spetsen på mikromanipulator ades mikromanipulator roteras med 180 °. Denna rotation orsakad korngränsen för att bli vinkelrätt mot jonstrålen, därav förhindra förmåns gallring (Figur 5b). Slutligen efter det att hissen-ut-processen, var skyddande lager av kol och volfram deponeras på ytan av den nyligen orienterade TEM lamellen. Dessa ändringar till konventionella FIB preparation teknik ledde till en ren TEM lamell möjliggör Atomically upplösning avbildning av HAADF-STEM.

HRTEM och HAADF-STEM mikrografer för bicrystal bunden vid 800 ° C under 90 minuter med en nominell 45 ° twist korngräns visar en atomärt löst korngränsstruktur med inga sekundära faser. Rumsligt upplösta EELS avslöjar förändringar i samordning Ti inom de korngräns kärnor, vilket indikerar en ökning i koncentration av syrevakans jämfört med bulk. Dessa resultat överensstämmer med rapporter i litteraturen för låg vinkel twist korngränser 25. Ytterligare analys av dessa experiment beskrivs på annat håll 26.

I denna studie var STO bicrystals framgångsrikt syntetiserat för första gången med hjälp av en SPS apparat. Bicrystals med twist orienteringar av 0 °, 4 ° och 45 ° bildades vid högt tryck med måttliga bindningstemperaturer och tidskalor jämfört med de parametrar som finns i konventionell bindning. Bildningen av bicrystals via SPS-apparaten ger en möjlighet att kvantitativt bestämma effekterna av elektriska fält samt upphettningshastighet på utvalda korngränskärnstrukturer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

LH tack erkänner ekonomiskt stöd från en US National Science Foundation Graduate Research Fellowship enligt Grant No. 1148897. Elektronmikroskopi karakterisering och SPS bearbetning vid UC Davis stöds ekonomiskt av en University of California Laboratory Fee award (# 12-LR-238.313). Arbetet på molekylär Gjuteri stöddes av Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, av US Department of Energy enligt kontrakt nr DE-AC02-05CH11231.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Strontium titanate single crystal (100) MTI Corporation STOa101005S1-JP
Buffered oxide etch, hyrofluoric acid 6:1 JT Baker  MBI 1178-03
Scanning electron microscope (SEM) FEI Model: 430 NanoSEM
SPS apparatus  Sumitomo Coal Mining Co Model: Dr. Sinter 5000 SPS Apparatus
High Temperature Furnace Thermolyne Model: 41600
Ultrasonic Cleaner Bransonic Model: 221
Mechanical polisher Allied High Tech Products 15-2100-TEM
Diamond lapping film 3M 660XV 1 μm to 9 μm Grit Size
Diamond lapping film 3M 661X 0.5 μm to 0.1 μm Grit Size
Colloidal silica Allied High Tech Products 180-20000 0.05 μm Grit Size
Sputter coater QuorumTech Model: Q150RES
Focused ion beam (FIB) instrument  FEI Model: Scios dual-beamed focused ion beam (FIB) instrument 
Nanomill TEM specimen preparation system Fischione Instruments Model: 1040
Transmission electron microscope (TEM)  JEOL Model: JEM2500 SE 
Scanning transmission electron microscope (STEM) FEI Model: TEAM 0.5 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Munir, Z. A., Anselmi-Tamburini, U., Ohyanagi, M. The effect of electric field and pressure on the synthesis and consolidation of materials: A review of the spark plasma sintering method. J. Mater. Sci. 41 (3), 763-777 (2006).
  2. Chen, W., Anselmi-Tamburini, U., Garay, J. E., Groza, J. R., Munir, Z. A. Fundamental investigations on the spark plasma sintering/synthesis process: I. Effect of dc pulsing on reactivity. Mater. Sci. Eng. A. 394 (1-2), 132-138 (2005).
  3. Holland, T. B., Anselmi-Tamburini, U., Mukherjee, A. K. Electric fields and the future of scalability in spark plasma sintering. Scr. Mater. 69 (2), 117-121 (2013).
  4. Wan, J., Duan, R., Mukherjee, A. Spark plasma sintering of silicon nitride/silicon carbide nanocomposites with reduced additive amounts. Scr. Mater. 53 (6), 663-667 (2005).
  5. Carney, C. M., Mogilvesky, P., Parthasarathy, T. A. Oxidation Behavior of Zirconium Diboride Silicon Carbide Produced by the Spark Plasma Sintering Method. J. Amer. Ceram. Soc. 92 (9), 2046-2052 (2009).
  6. Dupeux, M. Production of Oriented Two-Phase Bicrystals by Diffusion Bonding Technique. J. Cryst. Growth. 66, 169-178 (1984).
  7. Castro, R., van Benthem, K. Sintering: mechanisms of convention nanodensification and field assisted processes. 35, Springer Science & Business Media. (2012).
  8. Byeon, S. C., Hong, K. S. Electric field assisted bonding of ceramics. Mater. Sci. Eng. A. 287 (2), 159-170 (2000).
  9. Wang, J., Conrad, H. Contribution of the space charge to the grain boundary energy in yttria-stabilized zirconia. J. Mater. Sci. 49 (17), 6074-6080 (2014).
  10. Fujimoto, M., Kingery, W. D. Microstructures of SrTiO3 Internal Boundry Layer Capacitors During and After Processing and Resultant Electrical Properties. J. Amer. Ceram. Soc. 68 (4), 169-173 (1985).
  11. Mitsuma, T., et al. Structures of a Σ = 9, [110]/{221} symmetrical tilt grain boundary in SrTiO3. Journal of Materials Science. 46 (12), 4162-4168 (2011).
  12. Ikuhara, Y. Grain Boundary and Interface Structures in Ceramics. J. Ceram. Soc. Jpn. 109 (7), S110-S120 (2001).
  13. Hutt, S., Kienzle, O., Ernst, F., Ruhle, M. Processing and Structure of Grain boundaries in Strontium Titanate. Z. Metallkd. 92 (2), 105-109 (2001).
  14. Takahisa, Y., Ikuhara, Y., Sakuma, T. Current-voltage characteristics across 45◦ symmetric tilt boundary in highly donor-doped SrTiO3 bicrystal. J. Mater. Sci. Lett. 20, 1827-1829 (2001).
  15. Hill, A., Wallach, E. R. Modelling Solid State Diffusion Bonding. Acta Metall. 37 (9), 2425-2437 (1989).
  16. Sato, Y., et al. Non-linear current-voltage characteristics related to native defects in SrTiO3 and ZnO bicrystals. Sci. Technol. Adv. Mater. 4 (6), 605-611 (2003).
  17. Hirose, S., Nishimura, H., Niimi, H. Resistance switching effect in Nb-doped SrTiO[sub 3] (100) bicrystal with (100) ∼45° twist boundary. J. App. Phys. 106 (4), 043711-043716 (2009).
  18. Hutt, S. Doctoral Thesis. , University of Stuttgart. (2002).
  19. Brunner, D., Taeri-Baghbadrani, S., Sigle, W., Ruhle, M. Suprising Results of a Studay on the Plasticity in Strontium Titanate. J. Amer. Ceram. Soc. 84 (5), 1161-1163 (2001).
  20. Gumbsch, P., Taeri-Baghbadrani, S., Brunner, D., Sigle, W., Ruhle, M. Plasticity and an inverse brittle-to-ductile transition in strontium titanate. Phys. Rev. Lett. 87 (8), 085501-085504 (2001).
  21. Taeri, S., Brunner, D., Sigle, W., Ruhle, M. Deformation Behavior of Strontium Titanate between Room Temperature and 1800K under Ambient Pressure. Z. Metallkd. 95, 433-446 (2004).
  22. Takahashi, K., Ohtomo, A., Kawasaki, M., Koinuma, H. Advanced Processing and Characterization of SrTiO3 Single Crystals and Bicrystals for High Tc Superconducting Film Substrate. Mater. Sci. Eng. B. 41, 152-156 (1996).
  23. Rhodes, W. H., Kingery, W. D. Dislocation Dependence of Cationic Diffusion in SrTiO3. J. Amer. Ceram. Soc. 49 (10), 521-526 (1966).
  24. Yamamoto, T., Hayashi, K., Ikuhara, Y., Sakuma, T. Grain Boundary Structure and Electrical Properties in Nb-Doped SrTiO3 Bicrystals. Key Eng. Mater. 181-182, 225-230 (2000).
  25. Fitting, L., Thiel, S., Schmehl, A., Mannhart, J., Muller, D. A. Subtleties in ADF imaging and spatially resolved EELS: A case study of low-angle twist boundaries in SrTiO3. Ultramicroscopy. 106 (11-12), 1053-1061 (2006).
  26. Hughes, L. A., van Benthem, K. Formation of SrTiO3 bicrystals using spark plasma sintering techniques. Scr. Mater. 118, 9-12 (2016).

Tags

Engineering korngränsen bicrystal elektriskt fält gnista plasma sintring strontiumtitanat skanning transmissionselektronmikroskopi
Spark Plasma Sintring apparat som används för bildandet av strontium titanate Bicrystals
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hughes, L. A., van Benthem, K. Spark More

Hughes, L. A., van Benthem, K. Spark Plasma Sintering Apparatus Used for the Formation of Strontium Titanate Bicrystals. J. Vis. Exp. (120), e55223, doi:10.3791/55223 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter