Tính chất nhiệt điện của hệ vật liệu nhiệt điện La1-xTixFeO3

Gốm perovskite La1-xTixFeO3 (x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5) được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Các mẫu đơn pha ở nhiệt độ thiêu kết 1230 0C. Các thông số nhiệt điện như hệ số dẫn điện, hệ số Seebeck, hệ số công suất theo nhiệt độ trong khoảng từ nhiệt độ phòng đến 1200K.

TÍNH CHẤT NHIỆT ĐIỆN CỦA HỆ VẬT LIỆU NHIỆT ĐIỆN La1-xTixFeO3 Khoa ật lý Tóm tắt: Gốm perovskite La1-xTixFeO3 (x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5) chế tạo phương pháp phản ứng pha rắn Các mẫu đơn pha nhiệt độ thiêu kết 12300C Các thông số nhiệt điện hệ số dẫn điện, hệ số Seebeck, hệ số công suất theo nhiệt độ khoảng từ nhiệt độ phịng đến 1200K Mẫu thể tính chất nhiệt điện với hệ số Seebeck tương đối lớn khoảng 1000 V/K cỡ 1000 V/K mẫu có nồng độ pha tạp x = 0.2 nhiệt độ 10000C Từ khóa: tính chất nhiệt điện, vật liệu nhiệt điện, La1-xTixFeO3, gốm perovskite, phương pháp gốm MỞ ĐẦU Hiện nay, vấn đề sử dụng nguồn lượng xanh nhà khoa học nước giới quan tâm Việc sử dụng nguồn lượng nhiệt chuyển hóa thành lượng điện với vật liệu nhiệt điện nhà khoa học nước giới quan tâm nghiên cứu nhằm làm sáng tỏ chế vật lý dẫn đến hiệu ứng nhiệt điện lớn nhiệt độ cao tạo vật liệu có hệ số nhiệt điện lớn, phẩm chất cao đưa vào ứng dụng Vật liệu perovskite nhiệt điện LaFeO3 biến tính nghiên cứu nhiều dừng lại việc khảo sát hệ số Seebeck nhiệt độ phòng Việc khảo sát thông số nhiệt điện theo nhiệt độ, đặc biệt nhiệt độ cao gặp nhiều khó khăn nước chưa có hệ đo hồn chỉnh [1], [2], [3], [4], [5] THỰC NGHIỆM Hệ mẫu La1-xTixFeO3 (x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5) chế tạo phương pháp gốm với nguyên liệu ban đầu oxit muối cacbonat dạng bột với độ 98,5% - 99.99% Nguyên liệu bột trộn theo tỷ lệ thành phần tùy thuộc vào công thức hợp thức danh định mẫu cần chế tạo Hỗn hợp sau cân tiến hành nghiền nước cất Sau trộn nghiền, hỗn hợp sấy khô nhiệt độ 80 0C 12 Sau đó, hỗn hợp bột phối liệu ép thành viên hình trụ, đường kính khoảng 1cm nung sơ nhiệt độ 10000C 10 để cấu tử phản ứng với tạo nên dung dịch rắn perovskite Sau nung sơ bộ, dùng cối chày mã não để nghiền khô ướt mẫu 10 giờ, lúc hạt bột có kích thước khoảng m Bột sau nghiền mịn trộn với 2% chất kết dính, thường dung dịch PVA 15% (bị đốt cháy hoàn toàn 4000C) ép thành mẫu nghiên cứu dạng hình hộp chữ nhật nung thiêu kết nhiệt độ 12300C 10 với tốc độ gia nhiệt 20C/phút Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên năm học 2015-2016 Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, tháng 12/2015, tr: 22-25 T NH CHẤT NHIỆT ĐIỆN C A HỆ V T IỆU NHIỆT ĐIỆN a 1-xTixFeO3 23 Phân tích cấu trúc phương pháp nhiễu xạ tia X với thiết bị nhiễu xạ D5005Bruker-Germany Đường cong từ trễ M(H) nhiệt độ phòng từ trường đến 1,3 Tesla đo từ kế mẫu rung VSM LakeShore 7404 ( LakeShore, USA) KẾT QUẢ VÀ THẢO U N Hình giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu La1-xTixFeO3 nhiệt độ phịng Các đỉnh nhiễu xạ xác định pha CaMnO3 với cấu trúc orthorhombic thuộc nhóm khơng gian Pnma Các mẫu đơn pha, từ 1000 kết đo, số mạng, La Ti FeO x = 0.4 x = 0.5 mẫu tính tốn thể x = 0.2 x = 0.3 800 bảng số liệu x = 0.1 C- êng ®é (®.v.t.y) 1-x Khi pha tạp, thay Ti cho a, mạng tinh thể có xu hướng giãn ra, số mạng tăng nồng độ Ti tăng Giả thiết rằng, thay ion Ti4+ (r1 = 0,65Å) có bán kính nhỏ vào vị trí ion La2+ (r2 = 1,36 Å), đồng thời số ion Fe3+ (r3 = 0,645 Å) chuyển thành ion Fe2+ (r4 = 0,83 Å) có bán kính lớn Kết mạng tinh thể bị giãn ra, số mạng tăng lên theo tăng hàm lượng Ti x 600 400 200 20 40 60 80 100 120 (®é) Hình iản đồ nhiễu xạ tia X hệ mẫu La1-xTixFeO3 Bảng Các thông số cấu trúc tinh thể hệ mẫu La1−xTixFeO3 x Hợp chất LaFeO3 A (Å) B (Å) c (Å) V (Å)3 T 5,56 5,55 7,85 242,20 0,96 x La1-xTixFeO3 0.1 La0.9Ti0.1FeO3 5,56 5,54 7,86 242,10 0,93 0.2 La0.8Ti0.2FeO3 5,56 5,55 7,86 242,24 0,91 0.3 La0.7Ti0.3FeO3 5,54 5,57 7,87 242,85 0,88 0.4 La0.6Ti0.4FeO3 5,55 5,56 7,88 243,16 0,86 0.5 La0.5Ti0.5FeO3 5,55 5,57 7,88 243,59 0,83 Hình thể phụ thuộc nhiệt độ độ dẫn điện mẫu từ nhiệt độ phòng đến 1200K, độ dẫn điện mẫu tăng theo nhiệt độ, nhiên giá trị tương đối nhỏ, mẫu thể tính bán dẫn Vật liệu LaFeO3 lý tưởng, có cấu trúc lập phương, chất cách điện Tuy nhiên, từ hình cho thấy mẫu LaFeO3 chế tạo lại có tính dẫn Đ NG V N H A 24 điện Điều giải thích trình nung thiêu kết nhiệt độ cao mơi trường khơng khí giữ thời gian dài (12300C 10 giờ) dẫn tới thiếu hụt oxi tạo lỗ trống oxi hợp chất CaMnO3 [29] Sự thiếu hụt oxi dẫn đến trình tự doping (self dopping), mẫu thể tính dẫn điện Các mẫu có nồng độ pha tạp cao (x = 0.1  0.7) độ dẫn lại giảm dần Có thể tăng nồng độ pha tạp Ti, electron doping di chuyển đến lỗ trống (sai hỏng mạng pha tạp mạnh) mẫu làm giảm độ dẫn Hệ số Seebeck S hệ mẫu đo vùng nhiệt độ từ 300K đến 1200K trình bày hình Hệ số Seebeck tăng theo chiều tăng củ nhiệt độ Các mẫu x = 0; 0.1; 0.2 có hệ số 15 10 LaFeO3 1200 La0.9Ti0.1FeO3 1000 La0.8Ti0.2FeO3 800 La0.7Ti0.3FeO3 La0.6Ti0.4FeO3 600 La0.5Ti0.5FeO3 400 V/K -3 -1 -1 x10 Ohm cm  20 La0.3Ti0.7FeO3 La0.7Ti0.3FeO3 La0.5Ti0.5FeO3 La0.4Ti0.6FeO3 La0.7Ti0.3FeO3 La0.8Ti0.2FeO3 La0.9Ti0.1FeO3 LaFeO3 200 -200 -400 400 600 800 1000 1200 T(K) Hình thị độ dẫn phụ thuộc nhiệt độ -600 200 400 600 800 1000 1200 T(K) Hình thị hệ số Seebeck phụ thuộc nhiệt độ Seebeck dương xác định hạt tải lỗ trống, mẫu x= 0.3  0.7 có hệ số Seebeck âm xác định hạt tải electron, mẫu xem bán dẫn loại n Với tăng nồng độ chất pha tạp thay thế, hệ số Seebeck (S) có xu hướng dịch chuyển phía âm nồng độ x ≥ 0.2, S đổi dấu sang giá trị âm, mẫu chuyển sang loại bán dẫn loại n, hạt tải electron Có thể nói rằng, mẫu La1-xTixFeO3, với x ≤ 0.2 xem pha tạp lỗ trống Các mẫu với x ≥ 0.2 xem mẫu pha tạp điện tử với mẫu tính nhiệt điện bị giảm tính từ điện trở tăng lên mạnh Giá trị hệ số Seebeck tương đối cao, cỡ 1000 V/K mẫu có nồng độ pha tạp x = 0.2 nhiệt độ 10000C KẾT U N Hệ mẫu La1-xTixFeO3 chế tạo phương pháp phản ứng pha rắn, mẫu đơn pha Độ dẫn hệ số Seebeck đo từ nhiệt độ phòng đến 1200K, giá trị độ dẫn tương đối nhỏ hệ số Seebeck có giá trị cao tăng dần theo nhiệt độ, điều đặc biệt có đổi dấu từ dương sang âm hệ số Seebeck tăng nồng độ pha tạp lớn 0.2 giá trị hệ số Seebeck trên, hệ vật liệu có khả ứng dụng vào thực tế để chế tạo thiết bị chuyển đổi lượng nhiệt thành điện T NH CHẤT NHIỆT ĐIỆN C A HỆ V T IỆU NHIỆT ĐIỆN a 1-xTixFeO3 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] Nguyen Thi Thuy, Đang e Minh and Ngo Van Nong (2012) “Thermoelectric properties of Ca1-xYxMnO3 and Ca0.9Y0.1-yFeyMnO3 perovskite compound”, Tạp chí Khoa học Công nghệ - iện Khoa học Công nghệ iệt nam T 50 (1B), tr 335-341 Ahmed Mohamed Ahmed, Mahrous Rashad Ahmed, Saad Abed El Rahman Ahmed (2011) “Correlation of Magnetoresistance and Thermoelectric Power in La1xLixMnOy Compounds”, J Electromagnetic Analysis & Applications 3, pp 27-32 [3] P.Vavindran, R.Vidya, H.Fjellvag, A.Kjekshus, Electronic Structure and Excitedstate Properties of perovskite-like oxides LaFeO3, LaCrO3, Journal Crystal Growth 268 (2004) 554-559 Bach Thanh Cong, Toshihide Tsuji, Pham Xuan Thao, Phung Quoc Thanh, Yasuhisa Yamamura (2004) “High-temperature thermoelectric properties of Ca1-xPrxMnO3-  (0  x