توليف غير موحد العلاقات العامة مخدر SrTiO<sub> 3</sub> سيراميك وخصائص الحرارية منها
Summary
A protocol for the synthesis and processing of polycrystalline SrTiO3 ceramics doped non-uniformly with Pr is presented along with the investigation of their thermoelectric properties.
Abstract
We demonstrate a novel synthesis strategy for the preparation of Pr-doped SrTiO3 ceramics via a combination of solid state reaction and spark plasma sintering techniques. Polycrystalline ceramics possessing a unique morphology can be achieved by optimizing the process parameters, particularly spark plasma sintering heating rate. The phase and morphology of the synthesized ceramics were investigated in detail using X-ray diffraction, scanning electron microcopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy. It was observed that the grains of these bulk Pr-doped SrTiO3 ceramics were enhanced with Pr-rich grain boundaries. Electronic and thermal transport properties were also investigated as a function of temperature and doping concentration. Such a microstructure was found to give rise to improved thermoelectric properties. Specifically, it resulted in a significant improvement in carrier mobility and the thermoelectric power factor. Simultaneously, it also led to a marked reduction in the thermal conductivity. As a result, a significant improvement (> 30%) in the thermoelectric figure of merit was achieved for the whole temperature range over all previously reported maximum values for SrTiO3-based ceramics. This synthesis demonstrates the steps for the preparation of bulk polycrystalline ceramics of non-uniformly Pr-doped SrTiO3.
Introduction
عرضت الكهرباء الحرارية أكسيد أن يكون مرشحا واعدا للتطبيقات الحرارية ارتفاع في درجة الحرارة، من الاستقرار والتكلفة وجهات نظر لخصائص النقل الإلكترونية. بين نوع ن الكهرباء الحرارية أكسيد، وقد اجتذب مخدر للغاية تيتانات السترونتيوم (STO) الكثير من الاهتمام نظرا لخصائصه الإلكترونية المثيرة للاهتمام. ومع ذلك، فإن مجموع التوصيل الحراري الكبير (κ ~ 12 W م -1 K -1 في 300 K للبلورات واحدة) 1 والتنقل منخفضة الناقل (μ ~ 6 سم 2 V -1 ثانية -1 في 300 K للبلورات واحدة) 1 تؤثر تأثيرا ضارا على الأداء الحرارية التي يتم تقييمها من قبل شخصية أبعاد الجدارة، ZT = α 2 σT / κ، حيث α هو معامل Seebeck، σ الموصلية الكهربائية، T درجة الحرارة المطلقة في كلفن، وκ مجموع التوصيل الحراري. نحدد هنا البسط كما معامل القدرة، PF = α 263؛ T. من أجل هذا أكسيد المواد الحرارية للتنافس مع غيرها من الأجهزة الكهربائية الحرارية إلى ارتفاع في درجة الحرارة (مثل سبائك SIGE)، يطلب زيادة أكثر وضوحا في معامل القدرة و / أو نقصان في التوصيل الحراري شعرية.
الغالبية العظمى من الدراسات التجريبية من أجل تحسين الخواص الحرارية من STO ركزت أساسا على الحد من التوصيل الحراري من خلال الضغط الميدان وتقلب كتلة تشتت الفونونات. وتشمل هذه المحاولات: (ط) مفرد أو مزدوج المنشطات للالأب 2+ و / أو تي 4+ المواقع، والجهود الرئيسية فيما يتعلق بهذا الاتجاه، 2،3 (ب) توليف الفائقة الطبيعية الهياكل Ruddlesden-بوبر من أجل مواصلة تقليل التوصيل الحراري من خلال العزل طبقات SRO و 4 و (ج) مركب الهندسية بإضافة مرحلة الثانية nanosized 5. ومع ذلك، حتى وقت قريب، لم يبلغ عن أي استراتيجية تعزيز لsubstantially زيادة عامل الطاقة الحرارية في هذه أكاسيد. قد اقتصرت على الإبلاغ عن معامل القدرة القصوى (PF) القيم في المفرد الأكبر وبولي البلورية STO إلى الحد الأعلى من PF <1.0 W م -1 K -1.
وقد استخدمت مجموعة متنوعة من النهج التوليف وتقنيات المعالجة لتنفيذ الأفكار حاول أعلاه. وتشمل طرق تركيب مسحوق رد فعل الحالة الصلبة التقليدية، 6 سول-جل، 7 المائية و 8 و الاحتراق التوليف، 9 في حين تلبد التقليدي، 6 الساخن إلحاحا 10 ومؤخرا شرارة البلازما تلبد 12 من بين التقنيات المستخدمة لتكثيف مساحيق إلى السيراميك السائبة. ومع ذلك، لإشابة مماثل (على سبيل المثال، لا) وتركيز المنشطات، والسيراميك السائبة الناتجة عن المعرض مجموعة من خصائص النقل الإلكترونية والحرارية. هذا هو في كبيرة بسبب الخلل الكيمياء بقوة تعتمد على عملية SrTiO <فرعية> 3 الذي ينتج في خصائص تعتمد على التوليف. لا يوجد سوى عدد قليل من التقارير الاستفادة المثلى من التوليف وتجهيز المعلمات للاستفادة النقل الحرارية. ومن الجدير بالذكر أنه نظرا إلى الطاقة الصوتية صغيرة جدا يعني المسار الحر في SrTiO 3 (ل فتاه ~ 2 نانومتر في 300 K)، 11 nanostructuring ليست خيارا قابلا للتطبيق من أجل تحسين أداء TE السيراميك STO الأكبر في المقام الأول من خلال الحد من التوصيل الحراري شعرية.
في الآونة الأخيرة، أبلغنا أكثر من 30٪ تحسن في الشكل الحرارية الجدارة في غير بشكل موحد العلاقات العامة مخدر SrTiO 3 السيراميك منشؤها من معامل القدرة الحرارية المعززة في وقت واحد وتقليل التوصيل الحراري. 12،13 في هذا البروتوكول الفيديو تفصيلا، ونحن تقديم و مناقشة الخطوات الاستراتيجية التوليف من أجل إعداد هذه العلاقات العامة مخدر السيراميك STO اظهار خصائص محسنة الإلكترونية والحرارية.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذا البروتوكول، قدمناه الخطوات الاستراتيجية التوليف من أجل إعداد بنجاح الكريستالات السائبة مخدر العلاقات العامة SrTiO 3 السيراميك واظهار خصائص محسنة الإلكترونية والحرارية. وتشمل الخطوات الرئيسية للبروتوكول (ط) تركيب الحالة الصلبة من مخدر SrTiO 3 مسحوق في …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors wish to acknowledge the competitive faculty-initiated collaboration (FIC) grant from KAUST.
Materials
| SrCO3 Powder, 99.9% | Sigma Aldrich | 472018 | |
| TiO2 Nanopowder, 99.5% | Sigma Aldrich | 718467 | |
| Pr2O3 Sintered Lumps, 99.9% | Alfa Aesar | 35663 | |
| Name of Equipment | |||
| Spark Plasma Sintering | Dr. Sinter Lab | SPS-515S | |
| Resistivity/Seebeck Coefficient Measurement System | Ulvac-Riko | ZEM-2 | |
| Laser Flash Thermal Diffusivity Measurement System | Netzsch | LFA-457 Microflash | |
| Differential Scanning Calorimetry (DSC) System | Netzsch | 404C Pegasus | |
| Physical Property Measurement system (PPMS) | Quantum Design | ||
| Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) | Hitachi | SU-6600 | |
| Energyy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) | Oxford Instruments | ||
| X-ray Diffractometer | Rigaku | Ultima IV | |
| Bench-top Sputter Coater | Denton Vacuum | Desk II | |
| Diamond Wheel Saw | South Bay Technology |
References
- Ohta, S., Nomura, T., Ohta, H., Koumoto, K. High-temperature Carrier Transport and Thermoelectric Properties of Heavily La-or Nb-doped SrTiO3 Single Crystals. J. Appl. Phys. 97, (2005).
- Wang, H. C., et al. Enhancement of Thermoelectric Figure of Merit by Doping Dy in La0.1Sr0.9TiO3 Ceramic. Mater. Res. Bull. 45, 809-812 (2010).
- Bhattacharya, S., Mehdizadeh Dehkordi, A., Alshareef, H. N., Tritt, T. M. Synthesis–Property Relationship in Thermoelectric Sr1−xYbxTiO3−δ Ceramics. J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 385302 (2014).
- Wang, Y., Lee, K. H., Ohta, H., Koumoto, K. Thermoelectric Properties of Electron Doped SrO(SrTiO3)n (n=1,2) Ceramics. J. Appl. Phys. 105, 1037011-1037016 (2009).
- Wang, N., et al. Effects of YSZ Additions on Thermoelectric Properties of Nb-Doped Strontium Titanate. J. Electron. Mater. 39, 1777-1781 (2010).
- Muta, H., Kurosaki, K., Yamanaka, S. Thermoelectric Properties of Rare Earth Doped SrTiO3. J. Alloys Compd. 350, 292-295 (2003).
- Shang, P. -. P., Zhang, B. -. P., Li, J. -. F., Ma, N. Effect of Sintering Temperature on Thermoelectric Properties of La-doped SrTiO3 Ceramics Prepared by Sol-gel Process and Spark Plasma Sintering. Solid State Sciences. 12, 1341-1346 (2010).
- Wang, Y., Fan, H. J. Sr1-xLaxTiO3 Nanoparticles: Synthesis, Characterization and Enhanced Thermoelectric Response. Scripta Materialia. 65, 190-193 (2011).
- Kikuchi, A., Okinakab, N., Akiyama, T. A Large Thermoelectric Figure of Merit of La-doped SrTiO3 Prepared by Combustion Synthesis with Post-Spark Plasma Sintering. Scripta Materialia. 63, 407-410 (2010).
- Obara, H., et al. Thermoelectric Properties of Y-Doped Polycrystalline SrTiO3.Jpn. J. Appl. Phys. 43, L540-L542 (2004).
- Koumoto, K., Wang, Y., Zhang, R., Kosuga, A., Funahashi, R. Oxide Thermoelectric Materials: A Nanostructuring Approach. Annu. Rev. Mater. Res. 40, 363-394 (2010).
- Mehdizadeh Dehkordi, A., et al. Large Thermoelectric Power Factor in Pr-Doped SrTiO3−δ Ceramics via Grain-Boundary-Induced Mobility Enhancement. Chem. Mater. 26, 2478-2485 (2014).
- Mehdizadeh Dehkordi, A., Bhattacharya, S., He, J., Alshareef, H. N., Tritt, T. M. Significant Enhancement in Thermoelectric Properties of Polycrystalline Pr-doped SrTiO3 Ceramics Originating from Nonuniform distribution of Pr dopants. Appl. Phys. Lett. 104, 1939021-1939024 (2014).
- . . Standard Test Methods for Density of Compacted or Sintered Powder Metallurgy (PM) Products Using Archimedes’ Principle. , (2015).
- Parker, W. J., Jenkins, R. J., Butler, C. P., Abbott, G. L. Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity and Thermal Conductivity. J. Appl. Phys. 32, 1679-1684 (1961).
- Cowan, R. D. Pulse Method of Measuring Thermal Diffusivity at High Temperatures. J. Appl. Phys. 34, 926-927 (1963).
- Mehdizadeh-Dehkordi, A. . An Experimental Investigation Towards Improvement of Thermoelectric Properties of Strontium Titanate Ceramics. , (2014).
- . . DSC Pegasus 404C Operating Manual. , (1999).
- Daw, J. E. Measurement of Specific Heat Capacity Using Differential Scanning Calorimeter. Report of US Department of Energy. , (2008).
- Tritt, T. M. . Thermal Conductivity: Theory, Properties and Applications. , (2004).
- . . SC7610 Sputter Coater Operating Manual. , (2002).
- Tritt, T. M., Rowe, D. M. Electrical and Thermal Transport Measurement Techniques for Evaluation of the figure-of-Merit of Bulk Thermoelectric Materials. Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano. , 23-1-23-17 (2006).
- Burkov, A. T., Rowe, D. M. Measurements of Resistivity and Thermopower: Principles and Practical Realization. Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano. , 22-1 (2006).
- . . Physical Property Measurement System: AC Transport Option User’s Manual. , (2003).
- Ohta, S., Ohta, H. Grain Size Dependence of Thermoelectric Performance of Nb-doped SrTiO3. Polycrystals. J. Ceram. Soc. Jpn. 114, 102 (2006).
- Wang, N., He, H., Ba, Y., Wan, C., Koumoto, K. Thermoelectric Properties of Nb-doped SrTiO3 Ceramics Enhanced by Potassium Titanate Nanowires Addition. J. Ceram. Soc. Jpn. 118, 1098 (2010).
- Ohta, S., et al. Large Thermoelectric Performance of Heavily Nb-doped SrTiO3 Epitaxial Film at High Temperature. Appl. Phys. Lett. 87, 092108 (2005).
- Kovalevsky, A., Yaremchenko, A., Populoh, S., Weidenkaff, A., Frade, J. Enhancement of Thermoelectric Performance in Strontium Titanate by Praseodymium Substitution. J. Appl. Phys. 113, 053704 (2013).
- Kovalevsky, A. V., et al. Towards a High Thermoelectric Performance in Rare-Earth Substituted SrTiO3: Effects Provided by Strongly-Reducing Sintering Conditions. Phys. Chem. 16, 26946 (2014).
- Dawson, J. A., Tanaka, I. Local Structure and Energetics of Pr- and La-Doped SrTiO3 Grain Boundaries and the Influence on Core–Shell Structure Formation. J. Phys. Chem. C. 118, 25765-25778 (2014).
- Mehdizadeh Dehkordi, A., et al. New Insights on the Synthesis and Electronic Transport in Bulk Polycrystalline Pr-doped SrTiO3−δ. Appl. Phys. Lett. 117, 055102 (2015).
