Synthese van niet-uniforme Pr gedoteerde SrTiO<sub> 3</sub> Keramiek en hun Thermo Properties
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
Oxide thermo werden getoond aan veelbelovende kandidaten voor hoge-temperatuur thermo-toepassingen, van de stabiliteit en de kosten perspectieven op elektronische transport eigenschappen zijn. Bij de n-type oxide thermo heeft gedoteerde strontiumtitanaat (STO) veel aandacht getrokken vanwege zijn intrigerende elektronische eigenschappen. Een groot totaal thermisch geleidingsvermogen (κ ~ 12 W m -1 K -1 bij 300 K voor éénkristallen) 1 en een lage mobiliteit carrier (μ ~ 6 cm 2 V -1 s -1 bij 300 K voor éénkristallen) 1 nadelige invloed hebben op de thermo-elektrische prestaties die wordt beoordeeld door een dimensieloos getal van verdienste, ZT = α 2 σT / κ, waarbij α is de Seebeck-coëfficiënt, σ de elektrische geleidbaarheid, T de absolute temperatuur in Kelvin, en κ de totale thermische geleidbaarheid. We hierin de teller als de power factor te definiëren, PF = α 263, T. Om dit oxide thermo materiaal concurreren met andere hoge-temperatuur thermo (zoals SiGe legeringen), een meer uitgesproken toename van de arbeidsfactor en / of afname rooster warmtegeleidbaarheid vereist.
De meeste experimentele studies om de thermo eigenschappen van STO verbeteren, zijn voornamelijk gericht op de reductie van thermische geleidbaarheid met stam-veld en massa fluctuatie verstrooiing van fononen. Deze pogingen omvatten: (i) Enkel- of dubbel-dotering van het Sr 2+ en / of Ti 4+ plaatsen als belangrijkste inspanningen ten opzichte van deze richting, 2,3- (ii) Synthese van natuurlijke superrooster Ruddlesden-Popper structuren teneinde de thermische geleidbaarheid verder verminderen door isolerende lagen SrO, 4 en (iii) Samenstelling techniek door toevoeging van een tweede fase nanosized echter. 5, tot voor kort geen verhoging strategie is beschreven dat substantially verhoging van de thermo-elektrische factor in deze oxiden. De gemelde maximale power factor (PF) waarden in bulk single- en poly-kristallijne STO zijn beperkt tot een bovengrens van PF <1,0 W m -1 K -1.
Verschillende synthesemethoden en verwerkingstechnieken werden toegepast om de bovenstaande ideeën poging voeren. Het poeder syntheseroutes omvatten conventionele solid-state reactie, 6 sol-gel, hydrothermale 7, 8 en verbranding synthese, 9 terwijl conventionele sinteren, 6 heet persen 10 en recent ontstekingsplasma sintering 12 behoren tot de gemeenschappelijke technieken die worden gebruikt om de poeders verdichten in bulk keramiek. Voor eenzelfde doteerstof (bijvoorbeeld La) en doteringsconcentratie, de verkregen massieve keramische materialen vertonen een reeks elektronische en thermische transporteigenschappen. Dit is in grote door de sterk procesafhankelijke defectchemie van SrTiO <sub> 3 die resulteert in synthese-afhankelijke eigenschappen. Er is slechts een handvol van de verslagen het optimaliseren van de parameters synthese en verwerking thermo verkeerssector. Vermeldenswaardig is dat te wijten aan de zeer kleine phonon gemiddelde vrije pad in SrTiO 3 (l ph ~ 2 nm bij 300 K) waard, 11 nanostructurering is geen haalbare optie voor de verbetering van de TE prestaties van bulk STO keramiek voornamelijk door de vermindering van het rooster warmtegeleidingsvermogen.
Recent rapporteerden we meer dan 30% verbetering van de thermo kwaliteitsfactor in ongelijkmatig Pr gedoteerde SrTiO 3 keramiek afkomstig van een gelijktijdig verbeterde thermo vermogensfactor en verminderde thermische geleidbaarheid. 12-13 In deze gedetailleerde videoprotocol, presenteren wij en bespreken de stappen van onze synthese strategie voor de voorbereiding van deze Pr-gedoteerde STO keramiek tentoonstellen betere elektronische en thermo-elektrische eigenschappen.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit protocol hebben we de stappen van de synthese strategie gepresenteerd om succesvol te bereiden bulk polykristallijne-Pr gedoteerde SrTiO 3 keramiek tentoonstellen betere elektronische en thermo-elektrische eigenschappen. De belangrijkste stappen van het protocol omvatten (i) het vaste synthese van de gedoteerde SrTiO 3 poeder in lucht onder atmosferische druk en (ii) gebruik te maken van de mogelijkheden van ontstekingsplasma sintertechniek de zo bereide poeder verdichten in high- bulk densi…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
