放电等离子烧结设备中使用的钛酸锶双晶体的形成

该程序的目标是使用火花等离子烧结装置形成钛酸锶双晶，以产生具有明确定型差的晶界结构，作为加工参数（如高压和加热速率）的函数。我们需要了解 SPS 过程中产生的晶界是否与更传统的陶瓷加工技术中产生的晶界不同。这将帮助我们生产出具有前所未有的性能的新型陶瓷材料。

该技术的主要优点是形成具有明确取向误差的特定晶界，以便系统地了解放电等离子体烧结过程中微观结构的形成。开始样品制备时，使用金刚石绳锯切割 5 毫米 x 5 毫米的钛酸锶单晶，平面表面为 1-0-0，抛光至镜面光洁度。用超声波清洗机在丙酮、异丙醇和甲醇浴中以 50 至 60 赫兹的频率清洗样品 15 分钟。

在清洁过程中将热板加热到 200 摄氏度。在甲醇中完成超声波清洗后，立即将样品放在热板上干燥。在氟化铵和 49% 氢氟酸的 6：1 溶液中蚀刻样品 10 分钟。

依次用去离子水和异丙醇冲洗蚀刻样品。用过滤后的干燥空气干燥样品。丢弃任何在光学平坦侧形成彩虹铜绿的样品。

首先，将 30 毫米的石墨纸圆圈放在直径为 30 毫米的石墨柱塞上。然后，将两个 STO 单晶样品堆叠起来，它们的光学平坦面在覆盖着纸的柱塞的中心彼此相对。将顶部单晶绕 1-0-0 轴旋转到所需的取向差角度。

小心地将直径为 30 毫米的石墨模具滑过晶体和柱塞。将另一个 30 毫米的石墨纸和柱塞圆圈插入晶体堆栈顶部的芯片中。将组件放在 SPS 装置的下部石墨垫片上。

然后将另一个石墨垫片放在组件的顶部。使用 z 轴控制按钮将上冲头放下，以对组件施加 3 千牛顿的单轴力。将 K 型热电偶插入石墨模具的侧面以接触样品。

将腔室压力设置为大约 10 帕斯卡。然后在仪器程序控制上，设置实验的键合温度、时间和加热速率。选择直流脉冲 12 秒开，2 秒关的烧结条件，然后启动烧结程序。

程序结束后，让样品冷却至 150 摄氏度。将灰黑色还原样品转移至高温炉中。将样品在 1200 摄氏度的空气中、环境压力下退火 140 小时，得到灰白色的氧化双晶。

使用金刚石线锯将双晶切成 5 毫米 x 1 毫米的块。用减小金刚石研磨膜的粒度抛光横截面，直到划痕在最小粒度下均匀。然后用连续倒入的胶体二氧化硅和哑光布开始对横截面进行两分钟的抛光。

抛光结束前 15 秒，从倒入胶体二氧化硅切换到将去离子水倒在压板上。立即用去离子水冲洗抛光样品 1 分钟。在丙酮、异丙醇和甲醇的连续超声清洗浴中清洁抛光样品，每次 15 分钟。

清洁后，立即在 200 摄氏度的热板上干燥样品。在涂有胶体石墨的样品存根上熔化干净的样品抛光面。溅射在样品表面涂上 2 到 3 纳米的碳。

首先，将聚焦的离子束铜栅置于丙酮和异丙醇的连续超声波清洗槽中 1 小时。然后，对铜栅进行等离子清洗 10 分钟。将 STO 双晶样品和干净的铜栅放入 FIB 装置中，样品台设置为 7 毫米。

在 FIB 仪器软件中，确定沿晶粒边界的感兴趣区域。导航到图案控制，然后选择带有 CE 深度表面应用程序的矩形图案化工具，用于碳的电子束沉积。插入碳气体注射针，并在感兴趣区域上放置一个 15 x 2 x 2 微米的立方体碳保护层。

然后，缩回注射针。返回图案控制，选择带有 W dep 应用程序的矩形图案化工具，用于钨的离子束沉积。插入钨气体注射针，并在感兴趣区域上沉积相同尺寸的钨保护层。

缩回注射针。在 patterning control 中，选择具有 silicon application 属性的常规 cross section patterning 工具。在受保护的 ROI 上方铣削 22 x 27 x 15 微米的立方体沟槽，在 ROI 下方铣削 22 x 25 x 15 微米的立方体沟槽。

然后，在图案控制中，使用 silicon clean cross section patterning 工具清洁沟槽薄片表面。接下来，使用硅矩形图案工具在样品中切割出一个 2 微米宽的 J 图案和两个微米宽的矩形。切换到 easy lift 对话框，并将显微作器设置到停放位置。

降低显微作器，并通过钨沉积将样品焊接到显微作器的尖端。然后，将 J 模式扩展为 U 模式。从大量样品中取出薄片，并将显微纵器旋转 180 度，使晶界垂直于离子束。

钨焊缝与铜栅有薄片。然后，使用矩形图案工具将显微作器从薄片上切下。在感兴趣区域沉积一个 15 x 2 x 4 微米的碳立方层和一个 15 x 2 x 8 微米的钨立方层。

然后，使用离子束，先将样品稀释至约 200 纳米，并采用清洁横截面图案。然后，用矩形图案将样品稀释到电子透明。从 FIB 装置中取出铜 FIB 网格，并将网格放在 NanoMil 样品架上。

然后将样品架放入 NanoMil 设备中。使用 NanoMil 仪软件，在 500 电子伏特下对样品进行 10 分钟的研磨，以去除 FIB 引起的无定形损伤。将清洁后的 TEM 样品放入样品架中，然后将样品和样品架插入 STEM。

在 STEM 软件中，使用捕获工具获取样品晶粒边界的图像。钛酸锶双晶是使用火花等离子烧结装置以不同的取向差角度由单晶对形成的。在 SEM 成像中无法观察到晶界的地方，界面被认为是粘合的。

图像中的暗对比度区域要么归因于单晶之间的空隙，要么归因于胶体石墨扩散。在取向误差为零、键合温度为 600 或 700 摄氏度、键合持续时间为 90 分钟、退火时间为 100 小时的情况下，实现了最大的键合界面分数。将取向差角度增加到大约 45 度需要更高的键合温度和更长的退火时间，以实现 45% 键合界面。

高分辨率 TEM 和高角度环形暗场 STEM 显示原子突兀的晶界，没有观察到第二相或晶间膜。界面处的电子能量损失光谱显示，与块状晶体相比，钛 L2 和 L3 边缘的晶场分裂减少，氧 K 边缘的强度降低，表明界面处氧空位的浓度更高。按照相同的程序，我们还可以使用 SPS 形成掺杂晶界。

这将帮助我们解决电场是否会改变晶界偏析的问题。看完这个视频，你应该对如何使用 SPS 形成具有原子突变界面结构的双晶有了很好的了解。不要忘记氢氟酸可能非常危险，应采取预防措施，例如个人防护服。