Síntesis de dopado-Pr no uniformemente SrTiO<sub> 3</sub> Cerámica y sus propiedades termoeléctricas
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
Termoeléctricas Óxido mostraron ser candidatos prometedores para alta temperatura aplicaciones termoeléctricas, de estabilidad y de costos perspectivas a las propiedades de transporte electrónico. Entre las termoeléctricas de óxido de tipo n, titanato de estroncio altamente dopado (STO) ha atraído mucha atención debido a sus propiedades electrónicas intrigantes. Sin embargo, una gran conductividad térmica total (κ ~ 12 W m-1 K-1 a 300 K para monocristales) 1 y una baja movilidad de portador (μ ~ 6 cm 2 V -1 s -1 a 300 K para monocristales) 1 afecta negativamente el rendimiento termoeléctrico que es evaluado por una cifra sin dimensiones del mérito, ZT = α 2 σT / κ, donde α es el coeficiente de Seebeck, σ la conductividad eléctrica, T la temperatura absoluta en grados Kelvin, y κ la conductividad térmica total. Estamos aquí definimos el numerador como el factor de potencia, PF = α 263; T. Para que este material termoeléctrico óxido de competir con otras termoeléctricas de alta temperatura (como aleaciones SiGe), se requiere un aumento más pronunciado en el factor de potencia y / o disminución de la conductividad térmica de celosía.
La mayoría de los estudios experimentales con el fin de mejorar las propiedades termoeléctricas de STO se han centrado principalmente en la reducción de la conductividad térmica a través de la cepa de campo y la fluctuación de la masa de dispersión de fonones. Estos intentos incluyen: (i) simple o doble dopaje del Sr 2+ y / o Ti 4+ sitios, como los principales esfuerzos con respecto a esta dirección, 2,3 (ii) Síntesis de superreticulados naturales estructuras Ruddlesden-Popper 5 Sin embargo, a fin de reducir aún más la conductividad térmica a través de capas aislantes SRO, 4 y (iii) la ingeniería compuesto por adición de una segunda fase nanométricas., hasta hace poco, ninguna estrategia de mejora se ha informado que substantially aumentar el factor de potencia termoeléctrica en estos óxidos. Los valores del factor de potencia máxima reportada (PF) en un solo volumen y STO policristalino se han limitado a un límite superior de FP <1,0 W m -1 K -1.
Una variedad de enfoques de síntesis y técnicas de procesamiento se han empleado para poner en práctica las ideas intentado anteriormente. Las rutas de síntesis en polvo incluyen la reacción de estado sólido convencional, 6 sol-gel, 7 hidrotermal, 8 y síntesis de combustión, mientras que 9 de sinterización convencional, 6 prensado en caliente 10 y recientemente sinterización de plasma por chispa 12 se encuentran entre las técnicas comunes que se utilizan para densificar los polvos en la cerámica a granel. Sin embargo, para un dopante similar (por ejemplo, La) y la concentración de dopaje, la cerámica a granel resultantes exhiben una gama de propiedades de transporte electrónicos y térmicos. Esto es en gran debido al defecto química fuertemente proceso dependiente de SrTiO <sub> 3 que resulta en propiedades de síntesis-dependiente. Hay sólo un puñado de informes optimizando los parámetros de síntesis y procesamiento de beneficiarse transporte termoeléctrica. Vale la pena mencionar que, debido a la muy pequeña de fonones recorrido libre medio en SrTiO 3 (l pH ~ 2 nm a 300 K), 11 nanoestructuración no es una opción viable para la mejora del rendimiento de la cerámica TE STO mayor principalmente a través de la reducción de la conductividad térmica de celosía.
Recientemente, se informó más de un 30% de mejora en la cifra termoeléctrica de mérito en no uniforme dopados-Pr SrTiO3 cerámicas procedentes de un factor de potencia termoeléctrica mejorado de forma simultánea y redujimos la conductividad térmica. 12,13 En este protocolo vídeo detallado, presentamos y discutir los pasos de nuestra estrategia de síntesis para la preparación de estos Pr-dopado cerámica STO que exhiben propiedades mejoradas electrónicos y termoeléctricas.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este protocolo, hemos presentado los pasos de la estrategia de síntesis para preparar con éxito policristalinos mayor Pr dopado SrTiO3 cerámica que presenta mejores propiedades electrónicas y termoeléctricas. Las principales etapas del protocolo incluyen (i) la síntesis de estado sólido de la dopado SrTiO3 polvo en aire a presión atmosférica y (ii) tomar ventaja de las capacidades de la técnica de sinterización de plasma por chispa para densificar el polvo como preparado en alto densi…
Divulgations
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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