불균일 PR-도핑 된 SrTiO3의 합성<sub> 3</sub> 도자기와 그 열전 특성
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
산화물 열전은 전자 수송 특성에 대한 안정성 및 비용 관점에서 고온 열전 애플리케이션을위한 유망한 후보로 나타났다. n 형 산화물 열전기 중에서 고농도 도핑 된 티탄산 스트론튬 (STO)를 인해 흥미로운 전기적 성질에 많은 관심을 끌고있다. 그러나, 큰 총 열 전도성 (κ ~ 12 W M -1 K -1 (300) 단결정에 대한 K에서) (1)과 낮은 캐리어 이동도 (μ ~ 6cm 2 V -1 초 -1 단결정 300 K에서) 한 악영향 메리트 차원 도면에 의해 평가된다 열전 성능에 영향을 미치는, 도전율 σ α는 제벡 계수이고, ZT = α이 σT / κ는, T 켈빈 절대 온도, 총 열전도율 κ. 우리는 본원에서 역률 같은 분자를 정의 PF = α 263; T. (SiGe와 합금과 같은) 다른 고온 열전기과 경쟁이 산화물 열전 재료 위해서는, 역률 및 / 또는 격자 열 전도도의 감소에 더 현저한 증가가 요구된다.
STO의 열전 특성을 향상시키기 위해 실험 연구의 대부분은 주로 변형 필드와 포논의 질량 변동 산란 통한 열전도율의 감소에 초점을 맞추고있다. 이러한 시도는 다음을 포함한다 : (i) 단일 또는 이중의 Sr 도핑 2+ 또는 / 및 Ti 4+ 사이트,이 방향에 대하여 주된 노력으로서, 자연 초 격자 Ruddlesden-포퍼 구조의 2,3- (II)의 합성 상기 나노 크기의 제 2상의 SrO를 첨가하여 층, (4) 및 (iii) 복합 공학 절연막을 통해 열전 도성을 감소시키기 위해. 5 단, 최대 최근까지 더 개선 전략 substant보고되지 않았다ially 이들 산화물에 열전 역률을 증가시킨다. 벌크 단일 및 다결정 STO에서보고 된 최대 역률 (PF) 값 PF <1.0 m의 W -1 K -1의 상한에 국한되어왔다.
합성 방법 및 처리 기술의 다양한 시도 상기 아이디어를 구현하는 데 사용되어왔다. 분말 합성 경로는 종래의 고상 반응을 포함 6 졸겔 7 종래 소결 반면 열수, 8 및 연소 합성, 9, 6 핫 프레스 (10)와 최근에 방전 플라즈마 소결 (12)로 분말을 조밀화하는데 사용되는 공통 기술들이다 대량 도자기. 그러나 유사한 불순물 (예를 들어, 라)와 도핑 농도, 그 결과 대량 세라믹 전자 및 열 수송 특성의 범위를 나타낸다. 이는 된 SrTiO3 <공정의 강하게 의존 결함 화학 대형 인합성에 의존하는 특성을 초래 부> 3. 열전 전송 혜택을 합성 및 처리 매개 변수를 최적화 보고서의 소수는있다. 그것은 때문에 아주 작은 포논에 SrTiO3를 무료 경로 (300 K에서 L 산도 ~ 2 나노 미터)을 의미하는 것으로 언급 할 가치가있다, 11 나노 구조는 주로 감소를 통해 대량 STO 도자기의 TE 성능의 개선을위한 실행 가능한 옵션이 아니다 격자 열 전도도.
최근에, 우리는 동시에 강화 된 화력 요인에서 발생하는 비 균일 PR-도핑 된 SrTiO3 3 도자기의 장점의 열전 그림의 30 % 이상 향상을보고이 상세한 비디오 프로토콜에서 열전도. 12, 13 감소, 우리가 제시하고 이들의 제조에 대한 우리의 합성 전략의 단계 논의 향상된 전자 및 열전 특성을 나타내는 STO 세라믹스 잠을 도핑.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 프로토콜에서, 우리는 성공적으로 향상된 전자 및 열전 특성을 나타내는 벌크 다결정 PR-도핑 된 SrTiO3를 세라믹을 제조하기 위해 합성 전략의 단계를 제안 하였다. 프로토콜의 주요 단계는 하이로로서 준비된 분말을 치밀화 (I) 대기압 방전 플라즈마 소결법의 기능 (ⅱ) 복용 이점을 공기에 도핑 된 SrTiO3 3 분말의 고상 합성을 포함 벌크 세라믹스 동시에 밀도는 더 잠 가진 샘플?…
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
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