Stronsiyum Titanate Bicrystals Oluşumunda Kullanılan Plazma Sinterleme Aparatı Spark
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 plazma sinterleme (SPS) toz hızlı yoğunlaşmaya yüksek tek eksenli basınç ve darbeli akım potansiyel uygulama 1 sıkıştırır olduğu bir tekniktir. Ek sinterleme yardımcıları, 2, 3, 4, 5, gerekli olan bu teknik, aynı zamanda, silikon nitrit / silikon karbid, zirkonyum borür / silikon karbür, silisyum karbür gibi çeşitli malzemeler, kompozit yapılarının başarılı bir şekilde oluşumuna yol açar. Sıcak presleme geçmişte zorlu olmuştu geleneksel bu kompozit yapıların sentezi. SPS tekniği ile yüksek tek eksenli basınç ve hızlı ısıtma hızı uygulama tozları ve kompozit konsolidasyon artırır iken, literatürde 2, 3 tartışılan bu gelişmiş yoğunlaşma neden fenomen,class = "xref"> 6, 7. Ayrıca sadece tane sınır oluşumu üzerine elektrik alanların etkisi ile ilgili sınırlı bilgi ve tane sınırı çekirdekleri 8, 9 sonuçlanan atom yapılarını söz konusudur. Bu temel yapılar yüksek gerilim kapasitörlerin elektrik arıza ve seramik oksitlerin 10 mekanik dayanıklılığı ve katılığını içeren SPS sinterlenmiş malzemeler fonksiyonel özelliklerini belirlemek. Bu nedenle, uygulanan akımın olarak SPS işlem parametrelerinin bir fonksiyonu gibi temel tane sınırı yapısı, bir maddenin, genel fiziksel özellikleri manipülasyon için gereklidir. Sistematik SPS destekleyen temel fiziksel mekanizmaları aydınlatmak için bir yöntem belirli tane sınır yapıları, yani bicrystals oluşmasıdır. Bir bikristal daha sonra iki tek kristaller, manipülasyonu ile oluşturulur DIFFUBelirli misorientation ile bağlanmış sion 11 açıları. Bu yöntem, bir işlem parametrelerinin bir fonksiyonu takviye konsantrasyonu ve katışkı ayrıştırma 12, 13, 14 gibi temel tane sınırı iç kısım yapılarını araştırmak için kontrollü bir şekilde sağlar.
Sıcaklık, süre, basınç, yapıştırma, bir atmosfer 15: Difüzyon yapıştırma dört parametre bağlıdır. Stronsiyum titanat konvansiyonel Difüzyon (SrTiO 3, STO) tipik olarak bicrystals 1,400-1,500 ° C bir sıcaklık aralığı içinde, 1 MPa altında bir basınçta gerçekleşir ve zaman ölçekleri 3 ile 20 saat 13, 14, 16, 17 arasında değişen. Bu çalışmada, bir SPS tertibatında yapıştırma c önemli ölçüde daha düşük sıcaklık ve zaman ölçeklerinde elde edilirgeleneksel yöntemlere omparison. SPS önemli ölçüde böylece kendi mikro manipülasyon yoluyla bir malzemenin özelliklerinin avantajlı kontrolünü sağlayarak, tane büyümesini sınırlar aracılığıyla polikristal malzemeler için, sıcaklık ve zaman ölçekleri azalır.
SPS cihaz, bir 5 x 5 mm 2 örnek için, 140 MPa asgari basınç uygulamaktadır. Geleneksel difüzyon bağlama sıcaklığı aralığı içinde, Hutt ve diğ. bağlama basıncı MPa 18 10 aştığında STO anlık kırığı rapor. Ancak, STO belirten bağlama basıncı belirli sıcaklıklarda 10 MPa aşabilir, sıcaklığa bağlı plastisite davranışı sergiler. 1.200 ° C'ın üzerinde, 700 ° C'nin altında, STO numunenin anında kırık olmadan uygulanabilir daha büyük 120 MPa vurgulamaktadır hangi belli bir yumuşaklık arzetmektedir. 700-1,200 ° C ara sıcaklık aralığı içinde, STO s kırılgan ve deneyimleri anlık kırığı10 MPa daha büyük topuzlar. 800 ° C 'de, STO 200 MPa 19, 20, 21 daha az gerilimlerde kırılma önce hafif deforme sahiptir. Bu nedenle, SPS cihaz ile STO bikristal oluşumu için bağlanma sıcaklıkları uygun maddenin yoğurulabilirliği davranışına uygun olarak seçilmelidir.
Protocol
Representative Results
Discussion
1,200 ° C yapışma sıcaklığı sıcaklığında küçük değişiklikler büyük ölçüde tüm difüzyon bağlama mekanizmalarının kinetiklerini etkileyebilir gibi difüzyon en üst düzeye çıkarmak üzere seçilmiştir. 1,200 ° C arasında bir sıcaklık STO kırılgan-sünek geçiş sıcaklığı kapsamı içinde değildir. Ancak, örnek bu sıcaklıkta gevrek kırılma uygulandı. STO olduğu gibi STO bikristal felaket başarısızlık ~ 1200 ° C'de% 0.5 sünekliği beklenmedik değildi. Ayrıca, örne…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
LH minnetle mali bir Kaliforniya Üniversitesi Laboratuar Ücret ödülü ile desteklenmiştir UC Davis Grant No 1148897. Elektron mikroskobu karakterizasyonu ve SPS işleme altında ABD Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Bursu tarafından mali destek kabul (# 12-LR-238313). Moleküler Döküm Çalışmalar Sözleşme No. DE-AC02-05CH11231 altında ABD Enerji Departmanı, Bilim, Temel Enerji Bilimler Dairesi Başkanlığı tarafından desteklenmiştir.
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).
