Syntes av icke-likformigt Pr-dopade SrTiOa<sub> 3</sub> Keramik och deras Termo Egenskaper
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 visade sig vara lovande kandidater för hög temperatur termo applikationer, från stabilitet och kostnadsperspektiv till elektroniska transportegenskaper. Bland n-typ oxid thermo har högdopat strontiumtitanat (STO) väckte stor uppmärksamhet på grund av dess spännande elektroniska egenskaper. Men en stor total värmeledningsförmåga (κ ~ 12 W m -1 K -1 vid 300 K för enkristaller) 1 och en låg bärarrörlighet (μ ~ 6 cm 2 V -1 s -1 vid 300 K för enkristaller) 1 skadligt påverka termo prestanda som utvärderas av en dimensionsgodhetstal, ZT = α 2 σT / κ, där α är Seebeck koefficient, σ den elektriska ledningsförmågan, T är den absoluta temperaturen i Kelvin, och κ den totala värmeledningsförmåga. Vi definierar häri täljaren som effektfaktorn, PF = α 263, T. För att detta oxidtermoelektriskt material för att konkurrera med andra thermo hög temperatur (t.ex. SiGe legeringar), är en mer uttalad ökning av effektfaktor och / eller minskning av gitter värmeledningsförmåga krävs.
De flesta av de experimentella studier i syfte att förbättra termoelektriska egenskaperna hos STO har främst fokuserat på att minska värmeledningsförmågan genom drag fältet och mass fluktuationer spridning av fononer. Dessa försök inkluderar: (i) En- eller dubbel dopning av Sr 2+ och / eller Ti 4+ platser, som de viktigaste insatserna med avseende på denna riktning, 2,3 (ii) Syntes av naturliga supergitter Ruddlesden-Popper strukturer för att ytterligare minska värmeledningsförmågan genom isolerande sro skikt, 4 och (iii) komposit teknik genom tillsats av en nanostorlek andra fas. 5 Emellertid, fram till nyligen, ingen förstärkning strategi har rapporterats substantially öka den termoelektriska effektfaktorn i dessa oxider. De rapporterade maximala effektfaktor (PF) värden i bulk enkel- och poly-kristallina STO har begränsats till en övre gräns på PF <1,0 W m -1 K -1.
En mängd olika syntesmetoder och bearbetningstekniker har använts för att genomföra idéerna försökt ovan. Pulver syntetiseringsmetoder inkluderar konventionell solid-state reaktion 6 sol-gel, 7 hydrotermisk, 8 och förbränningssyntes, 9 medan konventionell sintring, 6 varmpressning 10 och nyligen gnista plasma sintring 12 är bland de vanligaste tekniker som används för att förtäta pulvren i bulk keramik. Men för en liknande dopnings (t.ex. La) och dopningskoncentration, de resulterande bulk keramik uppvisar en rad elektroniska och termiska transportegenskaper. Detta är i stort på grund av den starkt processberoende fel kemi SrTiOa <sub> 3, vilket resulterar i syntes beroende egenskaper. Det finns bara en handfull rapporter optimera syntes och processparametrar för att gynna termotransporter. Det är värt att nämna att på grund av den mycket lilla phonon innebära fri väg i SrTiOa 3 (l ph ~ 2 nm vid 300 K), är 11 nanostrukturering inte ett hållbart alternativ för förbättring av TE prestanda bulk STO keramik främst genom att minska av gittervärmeledningsförmåga.
Nyligen rapporterade vi mer än 30% förbättring av termogodhetstalet i ojämnt Pr-dopade SrTiOa 3 keramik som härrör från en samtidigt förbättrad termoeffektfaktor och minskad värmeledningsförmåga. 12,13 I denna detaljerade video protokoll, presenterar vi och diskutera stegen i vår syntes strategi för framställning av dessa Pr-dopade STO keramik som uppvisar förbättrade elektroniska och termoelektriska egenskaper.
Protocol
Representative Results
Discussion
I detta protokoll, har vi presenterat stegen i syntesstrategi för att framgångsrikt förbereda mass polykristallina Pr-dopade SrTiOa 3 keramik som uppvisar förbättrade elektroniska och termoelektriska egenskaper. De viktigaste stegen i protokollet inkluderar (i) solid-state syntes av den dopade SrTiOa 3 pulver i luft under atmosfärstryck och (ii) att dra nytta av kapaciteten hos gnista plasma sintring teknik för att förtäta som förberedda pulver i hög densitet bulk keramik och samtidigt a…
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).
