Faísca Plasma Sintering aparelho utilizado para a Formação de titanato de estrôncio 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

Sinterização de ignição de plasma (SPS) é uma técnica na qual a aplicação da pressão uniaxial alta e conduz corrente pulsada directos para a rápida densificação de pó compacta ^1. Esta técnica também conduz à formação bem sucedida de estruturas compósitas a partir de vários materiais, incluindo nitreto de silício / carboneto de silício, boreto de zircónio / carboneto de silício, carboneto de silício ou, sem auxiliares de sinterização adicionais necessários ^{2, 3, 4, 5.} A síntese destas estruturas compostas por métodos convencionais de prensagem a quente tinha sido um desafio no passado. Embora a aplicação de uma pressão uniaxial e alta taxa de aquecimento rápido, através da técnica de SPS aumenta a consolidação de pós e compósitos, o fenómeno fazendo com que este densificação reforçada debatida na literatura ^{2, 3,}class = "xref"> ^{6, 7.} Também existe apenas informações limitadas sobre a influência de campos elétricos na formação de contorno de grão e as estruturas atômicas resultantes de núcleos de contornos de grão ^{8, 9.} Estas estruturas nucleares determinar as propriedades funcionais de materiais sinterizados SPS, incluindo avaria eléctrica de condensadores de alta tensão e a resistência mecânica e a resistência de óxidos cerâmicos ^10. Portanto, a compreensão da estrutura dos limites de grão fundamental como uma função dos parâmetros de processamento SPS, tais como a corrente aplicada, é necessária para a manipulação das propriedades físicas globais de um material. Um método para elucidar sistematicamente os mecanismos físicos fundamentais subjacentes SPS é a formação de estruturas específicas nos limites dos grãos, ou seja, bicrystals. A bicrystal é criado pela manipulação de dois cristais individuais, que são então diffusion ligado com misorientation específica ângulos ^11. Este método oferece uma maneira controlada para investigar as estruturas nucleares nos limites dos grãos fundamentais como uma função dos parâmetros de processamento, a concentração de contaminante, e a segregação de impurezas ^{12, 13, 14.}

A difusão de ligação é dependente de quatro parâmetros: temperatura, tempo, pressão e atmosfera de ligação ^15. Convencional de ligação por difusão de titanato de estrôncio (SrTiO _3, STO) bicrystals ocorre tipicamente a uma pressão inferior a 1 MPa, dentro de uma gama de temperaturas de 1,400-1,500 ° C, e escalas de tempo que varia de 3 a 20 horas ^{13, 14, 16, 17.} Neste estudo, a ligação num aparelho de SPS é conseguido pelo significativamente mais baixos escalas de tempo e temperatura em COMPARAÇÃO com métodos convencionais. Para materiais policristalinos, redução de temperatura e tempo escalas via SPS limita significativamente o crescimento de grãos, proporcionando assim o controle vantajosa de propriedades de um material através da manipulação de sua microestrutura.

O aparelho de SPS, para uma amostra de 5 x 5 ^mm2, exerce uma pressão mínima de 140 MPa. Dentro da gama de temperaturas de difusão de ligação convencional, Hutt et ai. denunciar fratura instantânea de STO quando a pressão de ligação superior a 10 MPa ^18. No entanto, apresenta um comportamento de STO plasticidade dependente da temperatura, indicando a pressão de colagem pode ser superior a 10 MPa, a temperaturas específicas. Acima de 1200 ° C e abaixo de 700 ° C, STO exibe alguma ductilidade, em que salienta superior a 120 MPa, pode ser aplicado sem fractura instantânea da amostra. Dentro da faixa de temperatura intermediária de 700-1,200 ° C, STO é a fratura instantânea frágil e experiências em stresses superior a 10 MPa. A 800 ° C, STO tem menor capacidade de deformação antes de fracturar a tensões inferiores a 200 MPa, ^{19, 20, 21.} Assim, temperaturas de ligação para a formação STO bicrystal via aparelhos SPS deve ser escolhido de acordo com o comportamento plasticidade do material.

Protocol

1. Preparação de Amostras de Cristal Único de titanato de estrôncio NOTA: STO cristal único é fornecido com um (100) de superfície polida para um acabamento espelhado. Seção STO em 5×5 mm 2 peças usando o fio de serra de diamante. Ultra-sons as amostras limpas a 50-60 Hz consecutivamente em banhos de acetona, isopropanol, e metanol durante quinze minutos cada. Remover STO de banho de metanol para colocar imediatamente na placa quente mantid…

Representative Results

Temperatura de ligação, o tempo, e o ângulo misorientation foram todos alterados para determinar os parâmetros óptimos necessários para a fracção de interface de união máxima possível do bicrystal STO (Tabela 1). A interface foi considerada "ligada", quando o limite de grão não era visível durante o exame SEM (Figura 2a). Uma interface 'não-ligado' foi exibido quando um contraste de imagem escura ou vazios estavam present…

Discussion

A temperatura de ligação de 1200 ° C foi escolhida para maximizar a difusão de pequenas mudanças de temperatura podem influenciar grandemente a cinética de todos os mecanismos de ligação por difusão. Uma temperatura de 1200 ° C é fora da quebradiço-dúctil gama de temperaturas de transição de STO. No entanto, a amostra passou por ruptura frágil a esta temperatura. A falha catastrófica da bicrystal STO não era inesperado, pois tem STO ~ 0,5% ductilidade a 1200 ° C. Além disso, a amostra foi mantida a u…

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