Spark Plasma Sintring Apparater Anvendes til dannelse af strontiumtitanat 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
Spark plasma sintring (SPS) er en teknik, hvor anvendelse af højt enakset tryk og pulserende jævnstrøm fører til hurtig fortætning af pulver komprimerer en. Denne teknik fører også til en vellykket dannelse af kompositstrukturer af forskellige materialer, herunder siliciumnitrid / siliciumkarbid, zirconium borid / siliciumcarbid eller siliciumcarbid, uden yderligere sintringshjælpemidler krævede 2, 3, 4, 5. Syntesen af disse sammensatte strukturer ved konventionel varmpresning havde været udfordrende i fortiden. Mens anvendelse af en høj enakset tryk og hurtig opvarmning sats via SPS teknik øger konsolidering af pulvere og kompositter, fænomenet forårsager denne forbedrede fortætning debatteret i litteraturen 2, 3,class = "xref"> 6, 7. Der findes også kun begrænset information om indflydelsen af elektriske felter på korn grænse dannelse og de resulterende atomare strukturer af korn grænse kerner 8, 9. Disse centrale strukturer bestemme de funktionelle egenskaber af SPS sintrede materialer, herunder gnist af kondensatorer og den mekaniske styrke og sejhed af keramiske oxider 10. Derfor forstå den grundlæggende korngrænsestruktur som funktion af SPS forarbejdningsparametre, såsom påførte strøm, der er nødvendigt til manipulation af et materiale samlede fysiske egenskaber. En metode til systematisk belyse de fundamentale fysiske mekanismer der ligger til grund SPS er dannelsen af specifikke korn grænse strukturer, dvs, bicrystals. En bicrystal er skabt ved manipulation af to enkelte krystaller, som derefter diffuonen bundet med specifikke misorientation vinkler 11. Denne fremgangsmåde tilvejebringer en kontrolleret måde at undersøge de grundlæggende korngrænsende kernestrukturer som funktion af procesparametre, doteringsmiddel koncentration, og urenhed segregation 12, 13, 14.
Diffusionsbinding er afhængig af fire parametre: temperatur, tid, tryk, og limning atmosfære 15. Konventionel diffusionsbinding af strontium titanate (SrTiO 3, STO) bicrystals typisk forekommer ved et tryk under 1 MPa, inden for et temperaturområde på 1.400-1.500 ° C, og tidsskalaer fra 3 til 20 timer 13, 14, 16, 17. I denne undersøgelse er binding i en SPS apparat opnås på betydeligt lavere temperatur og tidsskalaer i cAMMENLIGNING med konventionelle metoder. For polykrystallinske materialer, reduceret temperatur og tidsskalaer via SPS væsentligt begrænser kornvækst, hvilket giver fordelagtige kontrol af et materiale egenskaber gennem manipulation af sin mikrostruktur.
SPS apparater til en 5 x 5 mm 2 prøve, udøver et tryk på mindst 140 MPa. Inden for den konventionelle diffusionsbinding temperaturområde, Hutt et al. rapportere øjeblikkelig fraktur i STO når limning trykket overstiger 10 MPa 18. Imidlertid STO udviser temperaturafhængig plasticitet adfærd, hvilket indikerer binding tryk kan overstige 10 MPa ved specifikke temperaturer. Above 1200 ° C og under 700 ° C, STO udviser nogle duktilitet, hvor understreger større end 120 MPa kan anvendes uden øjeblikkelige brud af prøven. Inden i det mellemliggende temperaturområde på 700-1200 ° C, STO er sprødt og oplevelser øjeblikkelige brud ved sLokker større end 10 MPa. Ved 800 ° C, STO har mindre deformerbarhed før brud ved spændinger mindre end 200 MPa 19, 20, 21. Derfor skal vælges limning temperaturer for STO bicrystal dannelse via SPS apparat ifølge plasticitet opførsel af materialet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bindingen temperatur på 1200 ° C blev valgt for at maksimere diffusion som små ændringer i temperatur i høj grad kan påvirke kinetikken for alle diffusionsbinding mekanismer. En temperatur på 1200 ° C ligger uden for brittle-duktilt overgang temperaturområde på STO. Men prøven gennemgik sprødbrud ved denne temperatur. Den katastrofale svigt af STO bicrystal var ikke uventet, da STO har ~ 0,5% sejhed ved 1200 ° C. Også blev prøven holdt ved et tryk på 140 MPa i hele opvarmningsprocessen og STO overgange g…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
LH taknemmelig finansiel støtte fra en US National Science Foundation Graduate Research Fellowship under Grant nr 1148897. Elektronmikroskopi karakterisering og SPS behandling på UC Davis blev støttet af en University of California Laboratory Fee award (# 12-LR-238.313). Arbejde på Molekylær Foundry blev støttet af Ministeriet for Videnskab, Office of Basic Energi Videnskaber, af det amerikanske Department of Energy under kontrakt nr 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).
