गैर-समान रूप से पीआर-डाल दिया गया SrTiO का संश्लेषण<sub> 3</sub> मिट्टी और उनके शीतलक गुण
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
ऑक्साइड thermoelectrics इलेक्ट्रॉनिक परिवहन गुणों को स्थिरता और लागत दृष्टिकोण से उच्च तापमान thermoelectric अनुप्रयोगों के लिए होनहार उम्मीदवारों होना दिखाया गया। एन-प्रकार ऑक्साइड thermoelectrics के अलावा, अत्यधिक डाल दिया गया स्ट्रोंटियम titanate (STO) के कारण इसकी साज़िश का इलेक्ट्रॉनिक गुणों के लिए ज्यादा ध्यान आकर्षित किया है। हालांकि, एक बड़े कुल थर्मल चालकता (κ ~ 12 डब्ल्यू एम -1 कश्मीर -1 300 एकल क्रिस्टल के लिए कश्मीर में) 1 और एक कम वाहक गतिशीलता (μ ~ 6 सेमी 2 वी -1 सेकंड -1 एकल क्रिस्टल के लिए 300 कश्मीर पर) 1 हानिकारकतापूर्वक योग्यता के एक आयामरहित आंकड़ा द्वारा मूल्यांकन किया है जो thermoelectric प्रदर्शन को प्रभावित कर, विद्युत चालकता σ α Seebeck गुणांक है जहां ZT = α 2 σT / κ, टी केल्विन में पूर्ण तापमान, और कुल थर्मल चालकता κ। हम इस के साथ साथ बिजली कारक के रूप में अंश को परिभाषित, पीएफ = α 263, टी। (जैसे SiGe मिश्र के रूप में) अन्य उच्च तापमान thermoelectrics के साथ प्रतिस्पर्धा करने के लिए इस ऑक्साइड thermoelectric सामग्री के लिए आदेश में, बिजली का पहलू और / या जाली तापीय चालकता में कमी में एक और अधिक स्पष्ट वृद्धि के लिए आवश्यक हैं।
sto के thermoelectric गुणों में सुधार के क्रम में प्रयोगात्मक अध्ययन के बहुमत मुख्य रूप से तनाव-क्षेत्र और phonons की बड़े पैमाने पर उतार-चढ़ाव बिखरने के माध्यम से थर्मल चालकता की कमी पर ध्यान केंद्रित किया है। इन प्रयासों में शामिल हैं: (i) के एकल या सीनियर की डबल डोपिंग 2 + और / या तिवारी 4 + साइटों, इस दिशा के संबंध में मुख्य प्रयासों के रूप में, प्राकृतिक superlattice Ruddlesden-पॉपर संरचनाओं के 2,3 (द्वितीय) संश्लेषण आगे एक nanosized दूसरे चरण के अलावा द्वारा SRO परतों, 4 और (iii) समग्र इंजीनियरिंग इन्सुलेट के माध्यम से थर्मल चालकता कम करने के लिए। 5 हालांकि, हाल ही में जब तक, कोई वृद्धि रणनीति substant करने के लिए सूचित किया गया हैially इन आक्साइड में thermoelectric विद्युत कारक वृद्धि हुई है। थोक एकल और पाली क्रिस्टलीय sto में सूचना दी अधिकतम बिजली का पहलू (पीएफ) मूल्यों पीएफ <1.0 डब्ल्यू एम -1 कश्मीर -1 की एक ऊपरी सीमा तक ही सीमित कर दिया गया है।
संश्लेषण दृष्टिकोण और प्रसंस्करण तकनीक की एक किस्म के ऊपर का प्रयास विचारों को लागू करने के लिए नियोजित किया गया है। पाउडर संश्लेषण मार्गों पारंपरिक ठोस राज्य की प्रतिक्रिया शामिल हैं, 6 प-जेल, 7 पारंपरिक sintering जबकि जलतापीय, 8 और दहन संश्लेषण, 9, 6 गर्म दबाने 10 और हाल ही में चिंगारी प्लाज्मा sintering 12 में पाउडर घना करने के लिए इस्तेमाल आम तकनीकों में से एक हैं थोक मिट्टी के पात्र। हालांकि, एक समान dopant (जैसे, ला) और डोपिंग एकाग्रता के लिए, जिसके परिणामस्वरूप थोक मिट्टी के पात्र इलेक्ट्रॉनिक और थर्मल परिवहन संपत्तियों की एक श्रृंखला दिखा रहे हैं। इस वजह से SrTiO <की जोरदार प्रक्रिया पर निर्भर दोष रसायन शास्त्र के लिए बड़ी में हैसंश्लेषण पर निर्भर गुणों में जो परिणाम उप> 3। Thermoelectric परिवहन लाभ प्राप्त करने के संश्लेषण और प्रसंस्करण मानकों के अनुकूलन रिपोर्ट की एक मुट्ठी भर ही नहीं है। यह वजह से बहुत छोटा phonon को SrTiO 3 में मुफ्त पथ (300 कश्मीर में एल पीएच ~ 2 एनएम) इसका मतलब यह है कि उल्लेख के लायक है, 11 nanostructuring मुख्य रूप से कमी के माध्यम से थोक STO मिट्टी के पात्र के ते प्रदर्शन में सुधार के लिए एक व्यवहार्य विकल्प नहीं है जाली थर्मल चालकता की।
हाल ही में, हम एक एक साथ बढ़ाया thermoelectric विद्युत कारक से होने वाले गैर-समान रूप से पीआर-डाल दिया गया SrTiO 3 मिट्टी के बरतन में योग्यता के thermoelectric आंकड़े में 30% से अधिक सुधार की सूचना दी है और इस बारे में विस्तृत वीडियो प्रोटोकॉल में तापीय चालकता। 12,13 कम है, हम वर्तमान और इनमें से तैयार करने के लिए हमारे संश्लेषण रणनीति के इस कदम पर चर्चा सुधार इलेक्ट्रॉनिक और thermoelectric गुणों का प्रदर्शन STO मिट्टी के पीआर-डाल दिया गया।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस प्रोटोकॉल में, हम सफलतापूर्वक सुधार इलेक्ट्रॉनिक और thermoelectric गुणों का प्रदर्शन थोक polycrystalline पीआर-डाल दिया गया SrTiO 3 मिट्टी के पात्र को तैयार करने के क्रम में संश्लेषण रणनीति के इस कदम प्रस्तुत किया है। …
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).
