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

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.

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. Sección STO en 5×5 mm 2 piezas con alambre de sierra de diamante. Ultrasonidos muestras limpias a 50-60 Hz consecutivamente en baños de acetona, isopropanol y metanol durante quince minutos cada uno. Retire STO de baño de metanol para colocar inmediatamente en la placa caliente mantenida a un…

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…

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 mantuv…

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