Spark Plasma Sintring apparatet som brukes for dannelsen av strontium titanate Bicrystals
Summary
A viable technique for the formation of strontium titanate bicrystals at high pressure and fast heating rate via the spark plasma sintering apparatus is developed.
Abstract
A spark plasma sintering apparatus was used as a novel method for diffusion bonding of two single crystals of strontium titanate to form bicrystals with one twist grain boundary. This apparatus utilizes high uniaxial pressure and a pulsed direct current for rapid consolidation of material. Diffusion bonding of strontium titanate bicrystals without fracture, in a spark plasma sintering apparatus, is possible at high pressures due to the unusual temperature dependent plasticity behavior of strontium titanate. We demonstrate a method for the successful formation of bicrystals at accelerated time scales and lower temperatures in a spark plasma sintering apparatus compared to bicrystals formed by conventional diffusion bonding parameters. Bond quality was verified by scanning electron microscopy. A clean and atomically abrupt interface containing no secondary phases was observed using transmission electron microscopy techniques. Local changes in bonding across the boundary was characterized by simultaneous scanning transmission electron microscopy and spatially resolved electron energy-loss spectroscopy.
Introduction
Tennplasmasintring (SPS) er en teknikk der anvendelse av høy enakset trykk og pulserende likestrøm fører til hurtig fortetning av pulveret kompakterer 1. Denne teknikk fører også til en vellykket dannelse av sammensatte strukturer av forskjellige materialer, blant silisiumnitrid / silisiumkarbid, zirkoniumborid / silisiumkarbid, eller silisiumkarbid, med ingen ytterligere sintringshjelpemidler som kreves to, tre, fire, fem. Syntesen av disse sammensatte strukturer ved konvensjonelle varm-presse, var blitt utfordret i fortiden. Selv om anvendelse av et høyt enakset trykk og rask oppvarmingshastighet via SPS teknikk forbedrer konsolidering av pulver og kompositter, det fenomen som forårsaker denne forbedrede fortetting diskutert i litteraturen, 2, 3,class = "xref"> 6, 7. Det eksisterer også bare begrenset informasjon angående påvirkning av elektriske felter på korngrensedannelse og de resulterende atomstruktur i korngrense kjerner 8, 9. Disse kjernestrukturer bestemme de funksjonelle egenskaper til SPS sintrede materialer, inkludert elektrisk nedbrytning av høyspente kondensatorer og den mekaniske styrke og seighet av keramiske oksider 10. Derfor forstå den grunnleggende korngrense struktur som en funksjon av SPS prosessparametere, slik som tilførte strøm, som er nødvendig for manipulering av et materiale totale fysiske egenskaper. En metode for å systematisk belyse de grunnleggende fysiske mekanismene som ligger til grunn SPS er dannelsen av spesifikke korn grensen strukturer, dvs. bicrystals. En bicrystal er skapt ved manipulering av to enkelt-krystaller, som deretter diffusion limt med spesifikke feilorientering vinkler 11. Denne metoden gir en kontrollert måte for å undersøke de grunnleggende korn grensen kjernestrukturer som en funksjon av prosessparametre, dopemiddelkonsentrasjon, og urenhet segregering 12, 13, 14.
Diffusjonsbinding er avhengig av fire parametere: temperatur, tid, trykk, og binding atmosfære 15. Konvensjonell diffusjonsbinding av strontium titanat (SrTiO 3, STO) bicrystals oppstår vanligvis ved et trykk under 1 MPa, innenfor et temperaturområde på 1,400-1,500 ° C, og tidsskalaer i området fra 3 til 20 timer 13, 14, 16, 17. I denne studien er bonding i en SPS apparat oppnås ved betydelig lavere temperatur og tidsskalaer i comparison til konvensjonelle metoder. For polykrystallinske materialer, redusert temperatur og tidsskalaer via SPS betydelig begrenser kornvekst, og dermed gi en fordel kontroll over en materialets egenskaper gjennom manipulering av sin mikrostruktur.
SPS apparat, for et 5 x 5 mm 2 prøve, utøver et trykk på minimum 140 MPa. Innenfor den konvensjonelle diffusjonsbinding temperaturområde, Hutt et al. rapportere momentant brudd i STO når bonding trykket overstiger 10 MPa 18. Men viser STO temperaturavhengig plastisitet atferd som indikerer pressetrykk kan overstige 10 MPa ved bestemte temperaturer. Over 1200 ° C og under 700 ° C, oppviser STO viss duktilitet, ved hvilket understreker er større enn 120 MPa kan påføres uten momentant brudd i prøven. I det mellomliggende temperaturområde på 700-1,200 ° C, er STO sprø og erfaringer momentant brudd på slokker som er større enn 10 MPa. Ved 800 ° C, har STO liten deformerbarhet før frakturering ved spenninger mindre enn 200 MPa 19, 20, 21. Derfor må bindetemperaturer for STO bicrystal formasjon via SPS anordningen velges i henhold til den plastisitet oppførselen til materialet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bindingen temperatur på 1200 ° C ble valgt for å maksimal diffusjon som små endringer i temperaturen kan i stor grad påvirke kinetikken for alle diffusjonsbinding mekanismer. En temperatur på 1200 ° C er utenfor den sprø-duktile overgangstemperaturområdet for STO. Men prøven gikk sprøbrudd ved denne temperatur. Den katastrofal svikt i STO bicrystal var ikke uventet som STO har ~ 0,5% duktilitet ved 1200 ° C. Dessuten ble prøven holdt ved et trykk på 140 MPa i hele oppvarmingsprosessen og STO overganger gje…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
LH erkjenner takknemlig økonomisk støtte av en US National Science Foundation Graduate Research Fellowship i henhold Grant No. 1148897. Elektronmikroskopi karakterisering og SPS behandling ved UC Davis ble finansielt støttet av en University of California Laboratory Fee award (# 12-LR-238313). Arbeid på Molecular Foundry ble støttet av Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, av US Department of Energy under kontrakt DE-AC02-05CH11231.
Materials
| 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 um to 9 um Grit Size |
| Diamond lapping film | 3M | 661X | 0.5 um to 0.1 um Grit Size |
| Colloidal silica | Allied High Tech Products | 180-20000 | .05 um 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Dupeux, M. Production of Oriented Two-Phase Bicrystals by Diffusion Bonding Technique. J. Cryst. Growth. 66, 169-178 (1984).
- Castro, R., van Benthem, K. . Sintering: mechanisms of convention nanodensification and field assisted processes. 35, (2012).
- Byeon, S. C., Hong, K. S. Electric field assisted bonding of ceramics. Mater. Sci. Eng. A. 287 (2), 159-170 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ikuhara, Y. Grain Boundary and Interface Structures in Ceramics. J. Ceram. Soc. Jpn. 109 (7), S110-S120 (2001).
- Hutt, S., Kienzle, O., Ernst, F., Ruhle, M. Processing and Structure of Grain boundaries in Strontium Titanate. Z. Metallkd. 92 (2), 105-109 (2001).
- 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).
- Hill, A., Wallach, E. R. Modelling Solid State Diffusion Bonding. Acta Metall. 37 (9), 2425-2437 (1989).
- 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).
- 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).
- Hutt, S. . Doctoral Thesis. , (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Rhodes, W. H., Kingery, W. D. Dislocation Dependence of Cationic Diffusion in SrTiO3. J. Amer. Ceram. Soc. 49 (10), 521-526 (1966).
- Yamamoto, T., Hayashi, K., Ikuhara, Y., Sakuma, T. Grain Boundary Structure and Electrical Properties in Nb-Doped SrTiO<sub>3</sub> Bicrystals. Key Eng. Mater. 181-182, 225-230 (2000).
- 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).
- Hughes, L. A., van Benthem, K. Formation of SrTiO3 bicrystals using spark plasma sintering techniques. Scr. Mater. 118, 9-12 (2016).
