Muntazam olmayan biçimde Pr-katkılı SrTiO sentezi<sub> 3</sub> Seramik ve Bunların termoelektrik Özellikleri
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
Oksit thermoelectrics elektronik ulaşım özellikleri istikrar ve ekonomik açılardan yüksek sıcaklık termoelektrik uygulamalar için umut verici adaylar, olduğu gösterilmiştir. N-tipi oksit thermoelectrics arasında, çok katkılı stronsiyum titanat (STO) nedeniyle ilginç elektronik özellikleri çok dikkat çekmiştir. Ancak, büyük bir toplam ısı iletkenliği (κ ~ 12 W m -1 K -1 300 tek kristaller için K) 1 ve düşük taşıyıcı hareketlilik (μ ~ 6 cm 2 V -1 sn -1 tek kristaller 300 K'de) 1 zararlı liyakat boyutsuz figürü tarafından değerlendirilir termoelektrik performansı etkileyebilir, elektriksel iletkenlik σ α Seebeck katsayısı ZT = α 2 σT / κ, T Kelvin cinsinden mutlak sıcaklık ve toplam ısı iletkenliği κ. Biz burada güç faktörü olarak pay tanımlamak, PF = α 263 T. (Örneğin, SiGe alaşımları gibi) diğer yüksek sıcaklık Termoelektrik ile rekabet etmek için, bu oksit, termoelektrik bir madde için için, güç faktörü ve / veya örgü ısı iletkenliği azalma daha belirgin bir artış gereklidir.
STO termoelektrik özelliklerini geliştirmek amacıyla deneysel çalışmaların çoğunluğu ağırlıklı olarak gerilme-alan ve fononların kitlesel dalgalanması saçılması yoluyla ısı iletkenliği azaltılması odaklanmıştır. Bu çabalar şunları içerir: (i) tek veya Sr çift katkılama + 2 ve / veya Ti 4+ Sahası Bu yöne göre, ana çaba olarak, doğal superorgü Ruddlesden-Popper yapıların 2,3 (ii) sentezi bundan başka, bir nano boyutlu ikinci fazın eklenmesiyle SrO katmanları 4 ve (iii) Bileşik mühendisliği yalıtım ile termal iletkenliği azaltmak için. 5 Bununla birlikte, yakın zamana kadar, bir geliştirme stratejisi substant bildirilmiştirially bu oksitler termoelektrik güç faktörünü artırır. Toplu tek ve poli-kristal STO bildirilen maksimum güç faktörü (PF) değerleri PF <1.0 W m -1 K -1 üst limit ile sınırlı oylandı.
Sentez yaklaşımları ve işleme tekniklerinin çeşitli yukarıda teşebbüs fikirlerini hayata geçirmeleri için istihdam edilmiştir. Toz sentez yolları geleneksel katı-hal reaksiyonu içerir, 6 sol-jel, 7 konvansiyonel sinterleme ise hidrotermal, 8 ve yanma sentezi, 9, 6, sıcak presleme 10 ve son zamanlarda kıvılcım plazma sinterleme 12 içine toz yoğunlaştırmak için kullanılabilecek ortak teknikler arasındadır Toplu seramikler. Ancak, benzer bir takviye (örneğin, La) ve doping konsantrasyonu için, elde edilen kütle seramik, elektronik ve termal iletim özellikleri, bir dizi sergiler. Bunun nedeni SrTiO <kuvvetle süreci bağımlı kusur kimyası büyük olduğunuSentez bağımlı özellikler ile sonuçlanan sub> 3. Termoelektrik taşıma yararlanma sentez ve işleme parametrelerini optimize raporların sadece bir avuç vardır. Nedeniyle çok küçük fonon için SrTiO 3'te serbest yolu (300 K de l ph ~ 2 nm) demek kayda değer, 11 nanostructuring öncelikle azaltılması yoluyla toplu STO seramik TE performansının iyileştirilmesi için uygulanabilir bir seçenek değil kafes termal iletkenlik.
Son zamanlarda, biz bir anda gelişmiş termoelektrik güç faktörü kaynaklanan olmayan homojen Pr-katkılı SrTiO 3 seramik liyakat termoelektrik şekilde% 30'dan fazla iyileşme bildirilmiştir ve bu ayrıntılı video protokolde ısı iletkenliğini. 12,13 azalmış, biz sunuyoruz ve Bunların hazırlanması için sentez stratejisi adımları görüşmek geliştirilmiş elektronik ve termoelektrik özellikleri sergileyen STO seramik Pr-katkılı.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, biz başarılı geliştirilmiş elektronik ve termoelektrik özellikleri sergileyen toplu polikristal Pr katkılı SrTiO 3 seramik hazırlamak amacıyla sentez stratejisinin adımlarını sundu. protokol ana adımları yüksek halinde olarak hazırlanmış bir toz yoğunlaştırmak için, (i) atmosferik basınçta ve kıvılcım plazma sinterleme tekniği özellikleri (ii) alarak bir avantaj altında havada katkılı SrTiO 3 tozun katı hal sentezini içerir Toplu seramik ve aynı zama…
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).
