(Luận văn) nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất nhiệt điện của vật liệu bán dẫn cấu trúc lớp snse và sns

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN ĐINH THỊ MỸ HẢO lu an n va p ie gh tn to NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT NHIỆT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC LỚP SnSe VÀ SnS d oa nl w v an lu m ll fu an Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 t n oi z z @ gm Người hướng dẫn: TS DƯƠNG ANH TUẤN m co l an Lu n va ac th si LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất nhiệt điện vật liệu bán dẫn cấu trúc lớp SnSe SnS” thành nghiên cứu thân hướng dẫn TS Dương Anh Tuấn thực Viện Nghiên cứu Công nghệ PHENIKAA Trường Đại học PHENIKAA Những kết chưa xuất công bố tác giả khác Các kết thu xác hồn tồn trung thực lu an n va Bình Định, ngày 30 tháng 06 năm 2019 p ie gh tn to Học viên oa nl w Đinh Thị Mỹ Hảo d m ll fu an v an lu t n oi z z gm @ m co l an Lu LỜI CẢM ƠN n va ac th si Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thầy hướng dẫn TS Dương Anh Tuấn hướng dẫn tận tình giúp đỡ tơi nhiều trình thực luận văn Trường Đại học Quy Nhơn, Viện Nghiên cứu Công nghệ PHENIKAA Trường Đại học PHENIKAA Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo khoa Vật lý trường Đại học Quy Nhơn với quý thầy cô Viện PRATI tận tình giảng dạy, cung cấp kiến thức bổ ích làm tiền đề để tơi hồn thành tốt luận văn lu an Tơi chân thành cảm ơn tập thể học viên cao học nghiên cứu sinh n va trường Đại học Quy Nhơn luôn đồng hành giúp đỡ tơi mặt tn to q trình học tập thực luận văn ie gh Cuối cùng, tơi xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè, người bên p cạnh, giúp đỡ vật chất tinh thần, người ủng hộ, động d oa nl w viên suốt trình học tập thực luận văn m ll fu an v an lu Tác giả n oi Đinh Thị Mỹ Hảo t z z gm @ m co l an Lu MỤC LỤC n va ac th si LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu lu Phương pháp nghiên cứu an n va Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU to 1.1.1 Hiệu ứng Seebeck ie gh tn 1.1 Hiệu ứng nhiệt điện p 1.1.2 Hiệu ứng Peltier oa nl w 1.1.3 Hiệu ứng Thomson 1.2 Tổng quan vật liệu nhiệt điện Cấu trúc tinh thể cấu trúc giải lượng SnSe SnS d 1.3 v an lu 10 fu an 1.3.1 Cấu trúc tinh thể SnSe SnS 10 m ll 1.3.2 Cấu trúc giải lượng SnSe SnS 11 n oi CHƯƠNG CƠ SỞ THỰC NGHIỆM 14 t 2.1 Chế tạo đơn tinh thể SnSe, SnS, (SnSe)1-x(SnS)x phương pháp biến thiên nhiệt độ 14 z z 2.1.1 Phương pháp biến thiên nhiệt độ chế tạo đơn tinh thể 14 @ l 15 gm 2.1.2 Quy trình chế tạo vật liệu SnSe, SnS hỗn hợp SnSe-SnS m co 2.2 Khảo sát hình thái, cấu trúc, thành phần tính chất vật liệu an Lu SnSe, SnS, SnSe1-xSx (0< x 1) 20 n va ac th si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X khảo sát cấu trúc vật liệu 20 2.2.2 Đo hình thái bề mặt vật liệu kính hiển vi điện tử quét (SEM) 21 2.3 Khảo sát tính chất điện vật liệu hệ đo transport (TPMS) 23 2.3.1 Phép đo hệ số Seebeck 24 2.3.2 Xác định độ dẫn điện nồng độ hạt tải hệ đo TPMS 25 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 lu 3.1 Cấu trúc đơn tinh thể bán dẫn SnSe SnS chế tạo an phương pháp biến thiên nhiệt độ 28 n va 3.2 Tính chất nhiệt điện đơn tinh thể SnSe chế tạo phương to 3.2.1 Độ dẫn điện, nồng độ hạt tải đơn tinh thể SnSe 30 ie gh tn pháp biến thiên nhiệt độ 30 p 3.2.2 Power factor đơn tinh thể SnSe 32 oa nl w 3.3 Tính chất nhiệt điện đơn tinh thể SnS chế tạo phương pháp biến thiên nhiệt độ 33 d 3.3.1 Độ dẫn điện, hệ số Seebeck, nồng độ hạt tải đơn tinh thể v an lu SnS 34 fu an 3.3.2 Power factor độ dẫn nhiệt đơn tinh thể SnS 35 3.4 Cấu trúc tính chất nhiệt điện hợp chất lai hóa SnSe 1- m ll xSx 36 n oi 3.4.1 Hình ảnh mẫu hình thái bề mặt mẫu 37 t 3.4.2 Phổ nhiễu xạ tia X hợp chất lai hóa SnSe1-xSx 38 z z 3.4.3 Tính chất nhiệt điện hợp chất lai hóa SnSe1-xSx 40 @ gm KẾT LUẬN 42 l DANH MỤC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ m co DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) Lu an DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT n va ac th Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj.dtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Kí hiệu, STT Tên tiếng Anh viết tắt lu FE-SEM EDX XRD TPMS Nghĩa tiếng Việt Field Esmission Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét Energy-dispersive X-ray Phổ tán sắc lượng tia spectroscopy X X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X an n va Properties Hệ đo tính chất dịch chuyển Transport hạt tải vật liệu Measurement System gh tn to Thermoelectric figure of Độ phẩm chất nhiệt điện ZT vật liệu PF Power Factor Hệ số công suất  Electrical conductivity Độ dẫn điện vật liệu p ie Merit d oa nl w  Hệ số Seebeck vật liệu Seebeck coefficient Điện trở suất vật liệu fu an S v an lu Electrical Resistivity m ll t n oi z z gm @ m co l an Lu n va ac th Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj.dtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số thông số đặc trưng SnSe SnS 13 Bảng 3.1 Hằng số mạng theo thành phần x SnSe1-xSx 39 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w m ll fu an v an lu t n oi z z gm @ m co l an Lu n va ac th Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj.dtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ cấu trúc tinh thể (a) SnSe (b) SnS pha Pnma .11 Hình 2.2 Cấu trúc giải lượng điện tử (a) SnSe [35], (b) SnS [31] 12 Hình 2.1 Mơ q trình chế tạo đơn tinh thể phương pháp Bridgmam phương pháp biến thiên nhiệt độ (Gradient temperature) 14 lu Hình 2.2 Ống quartz bịt vuốt nhọn đầu dùng làm bình tổng hợp đơn an tinh thể 16 n va Hình 2.3 Quy trình hút chân khơng hàn bịt ống quartz tổng hợp đơn to tn tinh thể 17 p ie gh Hình 2.4 Chu trình thay đổi nhiệt độ trình chế tạo đơn tinh thể SnSe SnS 19 oa nl w Hình 2.5 Nhiễu xạ tia X bề mặt lớp nguyên tử 21 Hình 2.6 Sơ đồ hoạt động kính hiển vi điện tử .22 d v an lu Hình 2.7 Hệ đo tính chất điện (transport properties) nhiệt độ thấp 23 fu an Hình 2.8 Mơ phép đo Seebeck tích hợp hệ đo transport 24 m ll Hình 2.9 Số liệu đo phụ thuộc độ chênh lệch điện V theo T n oi mẫu màng Bi nhiệt độ phòng .25 t Hình 2.10 Mơ phép đo tính chất điện vật liệu .26 z Hình 3.1 Sắp xếp nguyên tử Sn Se mạng tinh thể Orthohombic z gm @ theo hướng tinh thể khác anh STM đơn tinh thể l SnSe .28 m co Hình 3.2 Hình thái bề mặt đơn tinh thể thông qua ảnh FE-SEM phổ an Lu nhiễu xạ tia X mẫu (a, b) SnSe (c, d) SnS 29 n va ac th Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj.dtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Hình 3.3 (a) Độ dẫn điện phụ thuộc vào nhiệt độ, (b) Nồng độ hạt tải đơn tinh thể SnSe 31 Hình 3.4 Hệ số Seebeck phụ thuộc vào nhiệt độ đơn tinh thể SnSe 32 Hình 3.5 Hệ số Power factor phụ thuộc vào nhiệt độ đơn tinh thể SnSe .33 Hình 3.6 Hệ số Seebeck độ dẫn điện phụ thuộc vào nhiệt độ đơn tinh thể Sn .35 Hình 3.7 Hệ số cơng suất phụ thuộc vào nhiệt độ đơn tinh thể SnS 36 lu Hình 3.8 (a) Ảnh chụp (b) ảnh FE-SEM mẫu đơn tinh thể SnSe1- an n va xSx 37 tn to Hình 3.9 (a) phổ nhiễu xạ tia X hợp chất lai hóa SnSe1-xSx, (b) biến thiên gh số mạng theo nồng độ hỗn hợp .38 p ie Hình 3.10 (a) Điện trở suất phụ thuộc vào nhiệt độ hợp chất lai hóa SnSe 1-xSx, oa nl w (b) Nồng độ hạt tải theo thành phần pha tạp 40 Hình 3.11 (a) Hệ số Seebeck theo nhiệt độ hợp chất lai hóa 41 d m ll fu an v an lu t n oi z z gm @ m co l an Lu n va ac th Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj.dtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vấn đề lượng tái tạo việc tìm kiếm nguồn lượng thân thiện với mơi trường xu nhóm nghiên cứu giới quan tâm Song song với việc phát triển nguồn lượng lượng gió, lượng mặt trời…, nghiên cứu chuyển đổi nguồn nhiệt dư thừa sinh động cơ, lò đốt hay quy mô nhỏ nhiệt lượng tỏa từ thiết bị điện tử thành điện dựa hiệu lu an ứng Seebeck số vật liệu có hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện cao n va xu hướng nghiên cứu Ngoài ra, tính khác tn to vật liệu nhiệt điện chuyển đổi ngược từ điện thành máy làm ie gh lạnh thông qua hiệu ứng Peltier Việc nghiên cứu phát triển vật liệu nhiệt điện p có hiệu suất chuyển đổi cao tập trung vào số xu hướng: oa nl w (1) Tổng hợp phát triển loại vật liệu có hệ số phẩm chất nhiệt điện 𝑆2 𝜎 𝜅 𝑇 (Thermoelectric figure of merit) cao Trong đó: S hệ số d 𝑍𝑇 = v an lu Seebeck,  độ dẫn điện,  độ dẫn nhiệt vật liệu, T nhiệt độ fu an tuyệt đối m ll (2) Nâng cao hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện thiết bị t trường nhiệt độ cao n oi (3) Tăng độ bền thiết bị chuyển đổi nhiệt điện làm việc môi z z Ở xu hướng thứ nhất, việc để nâng cao giá trị ZT vật liệu đồng nghĩa @ gm với việc phải tổng hợp vật liệu thỏa mãn đồng thời yêu l cầu: Dẫn điện tốt, hệ số Seebeck cao dẫn nhiệt Tuy nhiên, ba thông số m co độ dẫn điện, hệ số Seebeck độ dẫn nhiệt lại phụ thuộc lẫn Điều an Lu dẫn đến việc điều chỉnh thơng số theo chiều hướng tích cực thơng n va ac th Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj.dtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an 35 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w fu an v an lu Hình 3.6 Hệ số Seebeck độ dẫn điện phụ thuộc vào nhiệt độ đơn tinh thể Sn 3.3.2 Power factor độ dẫn nhiệt đơn tinh thể SnS m ll Từ kết phụ thuộc độ dẫn điện hệ số Seebeck (S) theo nhiệt n oi độ, chúng tơi tính tốn giá trị hệ số công suất (PF) tinh thể đơn SnS t chế tạo, kết thể hình 3.7 Do độ dẫn điện SnS z z thấp nên hệ số Seebeck có cao so với SnSe hệ số công suất gm @ thu nhỏ l Với việc chế tạo thành công đơn tinh thể SnS nghiên cứu đặc trưng cấu m co trúc vật liệu tác giả thu số kết để đánh giá tính chất an Lu nhiệt điện vật liệu Hệ số công suất lớn mà tác giả quan sát n va ac th Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj.dtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn si C.vT.Bg.Jy.Lj.Tai lieu Luan vT.Bg.Jy.Lj van Luan an.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an 36 lu an Hình 3.7 Hệ số cơng suất phụ thuộc vào nhiệt độ đơn tinh thể SnS n va mẫu SnS đơn tinh thể 7.87x10 -4 W/cmK2, nhỏ khoảng 500 lần so với gh tn to đơn tinh thể SnSe Mặc dù kết thu khơng cao, nhiên p ie cho thấy, muốn cải thiện tính chất nhiệt điện SnS yếu tố 3.4 oa nl w quan trọng tăng nồng độ hạt tải vật liệu Cấu trúc tính chất nhiệt điện hợp chất lai hóa SnSe1-xSx d Các nghiên cứu SnSe1-xSx (0