Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ điện của vật liệu nhiệt điện hệ orthor ferrit la(ticofe)o3

Vật liệu LaFeO3 pha tạp Ti, Co và cu với tính chất nhiệt điện tốt được chế tạo bằng phương pháp pha rắn ở nhiệt độ cao. Cấu trúc tinh thể của hệ mẫu được nghiên cứu bởi phương pháp nhiễu xạ tia X. Các tính chất điện (ρT), (σT), tính chất nhiệt điện như hệ số Seebeck (S), hệ số công suất (PF) của hệ mẫu đã được nghiên cứu. Sự doping thêm các ion Co và Cu đã làm tăng tính dẫn điện (σ) và hệ số công suất (PF).

MỤC LỤC HỆ VẬT LIỆU LACO1-XTIXO3 CHO GIÁ TRỊ HỆ SỐ SEEBECK NHƯ HÌNH 1.9, VỚI MẪU PHA TẠP TI Ở NỒNG ĐỘ X = 0.01 CÓ SỰ CHUYỂN LOẠI HẠT TẢI CHÍNH TỪ ĐIỆN TỬ SANG LỖ TRỐNG DO HỆ SỐ SEEBECK CHUYỂN TỪ ÂM SANG DƯƠNG, TÁC GIẢ [14] CHO RẰNG KHI PHA TẠP ION TI+4 Ở NỒNG ĐỘ THẤP, MỘT PHẦN ION CO+3 CHUYỂN THÀNH ION CO+2 VÀ HỆ TỒN TẠI HAI LOẠI HẠT TẢI, Ở VÙNG NHIỆT ĐỘ THẤP HƠN 450K, ĐIỆN TỬ CHIẾM ƯU THẾ NÊN HỆ SỐ SEEBECK MANG GIÁ TRỊ ÂM. 20 1.4 VẬT LIỆU ORTHOFERRITE (PEROVSKITE LAFEO3) 20 HỢP CHẤT ĐƯỢC CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TRONG LUẬN VĂN NÀY LÀ HỢP CHẤT PEROVSKITE HỆ SẮT ĐƯỢC GỌI LÀ ORTHORFERRIT LANTAN LAFEO3. TRONG MẤY NĂM GẦN ĐÂY HỢP CHẤT PEROVSKITE NÀY ĐƯỢC CHÚ Ý NGHIÊN CỨU DO CÓ HIỆU ỨNG NHIỆT ĐIỆN CAO Ở NHIỆT ĐỘ CAO, Ở DẠNG BỘT NANO CHÚNG CÓ THỂ DÙNG ĐỂ LÀM XÚC TÁC, SENSOR NHẠY KHÍ, CHẾ TẠO HỢP CHẤT MULTIFERROIC VÌ VẬY SAU ĐÂY CHÚNG TÔI TRÌNH BÀY MỘT SỐ ĐẶC TÍNH VÀ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU ORTHOFERRITE. 20 QUA CÁC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÃ THẤY RẰNG CÁC VẬT LIỆU PEROVSKITE LNBO3 HOẶC RBO3 ( LN (R) LÀ MỘT HOẶC NHIỀU CÁC NGUYÊN TỐ HỌ ĐẤT HIẾM NHƯ LA, ND, EU VÀ B LÀ MỘT HOẶC NHIỀU CÁC NGUYÊN TỬ CỦA CÁC KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP NHƯ MN, CO, FE ) LÀ VẬT LIỆU CÓ ĐỘ BỀN NHIỆT RẤT CAO. NGAY CẢ VIỆC CÁC NGUYÊN TỐ Ở VỊ TRÍ A VÀ VỊ TRÍ B CÓ CÁC TRẠNG THÁI ÔXY HÓA KHÁC NHAU CŨNG KHÔNG ẢNH HƯỞNG MẤY ĐẾN ĐỘ BỀN CỦA VẬT LIỆU. CHO NÊN LOẠI VẬT LIỆU NÀY CHO PHÉP THAY THẾ CÁC NGUYÊN TỬ Ở VỊ TRÍ LN HOẶC VỊ TRÍ B BẰNG CÁC KIM LOẠI CÓ TRẠNG THÁI ÔXY HÓA KHÁC NHAU ĐỂ TẠO RA NHỮNG KHUYẾT TẬT (HAY MÉO MẠNG) ĐỂ TẠO RA CÁC VỊ TRÍ ANION VÀ CATION TRỐNG. LNBO3 CÓ CẤU TRÚC TINH THỂ ORTHORHOMBIC HOẶC LÀ HEXAGONAL. VỀ TÍNH CHẤT ĐIỆN, LNBO3 CÓ THỂ LÀ ĐIỆN MÔI HOẶC BÁN DẪN HOẶC KIM LOẠI. VỀ TÍNH CHẤT TỪ, LNBO3 CÓ THỂ LÀ SẮT TỪ, PHẢN SẮT TỪ HOẶC SIÊU THUẬN TỪ. ĐIỀU NÀY PHỤ THUỘC VÀO SỰ CHIẾM ƯU THẾ CỦA TƯƠNG TÁC SIÊU TRAO ĐỔI HOẶC TƯƠNG TÁC TRAO ĐỔI KÉP TRONG VẬT LIỆU VÀ CÁC TRẠNG THÁI HÓA TRỊ KHÁC NHAU CỦA NGUYÊN TỬ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP. TRONG CÁC VẬT LIỆU LNBO3, CÁC NHÀ KHOA HỌC ĐẶC BIỆT QUAN TÂM ĐẾN VẬT LIỆU ORTHOFERRIT LNFEO3 (LN LÀ VỊ TRÍ CỦA MỘT HOẶC NHIỀU NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM HOẶC Y). BỞI CÁC VẬT LIỆU ORTHOFERRIT CÓ NHIỀU ĐẶC TÍNH ĐỂ CÓ THỂ ỨNG DỤNG TRONG THỰC TẾ NHƯ HOẠT TÍNH XÚC TÁC DÙNG ĐỂ LÀM CHẤT XÚC TÁC CHO CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC, TÍNH NHẠY KHÍ CÓ THỂ ỨNG DỤNG ĐỂ CHẾ TẠO SENSOR KHÍ. TRONG ORTHOFERRIT THÌ VẬT LIỆU ĐIỂN HÌNH LÀ LAFEO3 ĐƯỢC NGHIÊN CỨU. 21 1.6 Tính chất từ của các mẫu gốm perovskite ABO3 chứa các ion từ tính 27 28 1.7 Cấu trúc tinh thể của orthoferrite 28 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 29 2.1 CHẾ TẠO MẪU NGHIÊN CỨU 29 2.2 KHẢO SÁT CẤU TRÚC TINH THỂ, CẤU TRÚC TẾ VI VÀ TÍNH CHẤT MẪU 31 2.2.1 Phân tích cấu trúc tinh thể 31 1 2.2.2 Khảo sát cấu trúc tế vi 32 2.2.3 Khảo sát tính chất từ 32 2.2.4 Khảo sát tính chất điện 32 2.2.5 Khảo sát các thông số nhiệt điện 33 3.4 Khảo sát tính chất từ của hệ orthorferrit La(TiCoCuFe)O3 42 MỞ ĐẦU Hầu hết các hoạt động của con người đều liên quan tới việc tiêu thụ năng lượng: từ việc đi lại, sản xuất tới những nhu cầu tối thiểu của cuộc sống. Trong khi những hoạt động đó diễn ra, năng lượng được chuyển hoá: từ điện năng thành cơ năng, từ năng lượng hóa thạch thành nhiệt hoặc chuyển động Cho dù chúng có diễn ra theo cách nào thì chắc chắn một điều là hiệu suất sử dụng năng lượng không bao giờ đạt 100%, luôn luôn có năng lượng bị hao phí. Một trong những nguồn hao phí điển hình nhất là thất thoát nhiệt vô ích. Không có gì ngạc nhiên khi một thống kê chỉ ra 2/3 năng lượng mà loài người sử dụng bị mất trong quá trình tỏa nhiệt. Vì thế, làm sao để tận dụng nguồn năng lượng dồi dào đó là một trong những mục tiêu nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước và quốc tế, đặc biệt đối với các nhà nghiên cứu về khoa học vật liêu. Một trong các loại vật liệu sử dụng trong lĩnh vực 2 năng lượng là Vật liệu nhiệt điện, đó là vật liệu có thể chuyển hóa trực tiếp năng lượng nhiệt thành năng lượng điện. Khi sự quan tâm chú ý tập trung vào việc tìm ra những nguồn năng lượng mới thân thiện với môi trường để thay thế những nguồn năng lượng hóa thạch được khai thác đang có nguy cơ cạn kiệt dần, gây ô nhiễm môi trường thì máy phát điện sử dụng vật liệu nhiệt điện là ý tưởng hay, phù hợp với những yêu cầu của cuộc sống đặt ra hiện nay. Đối với một máy phát điện sử dụng vật liệu nhiệt điện, hiệu suất chuyển đổi năng lượng nhiệt năng thành điện năng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: sự chênh lệch nhiệt độ trong khi hoạt động, nhiệt độ trung bình trong suốt quá trình máy hoạt động, chất lượng của vật liệu được sử dụng trong máy. Để đánh giá chất lượng của vật liệu, ta thường dùng đại lượng không thứ nguyên hệ số phẩm chất (the figure of merit Z). Z được định nghĩa là 2 α Z= σ λ trong đó: σ là độ dẫn điện (Ω.cm), α là hệ số Seebeck hay năng suất nhiệt điện (µV/K) và λ là độ dẫn nhiệt (W / (cm . K)) của vật liệu . Như vậy, vật liệu nhiệt điện có giá trị Z lớn trong một dải nhiệt độ hoạt động xác định là điều hết sức quan trọng đối với một máy phát điện. Sự tìm kiếm vật liệu nhiệt điện thường theo hướng vật liệu có hệ số Seebeck và độ dẫn điện cao đồng thời độ dẫn nhiệt thấp. Vật liệu gốm nhiệt điện có cấu trúc Perovskite được coi là hệ vật liệu có tiềm năng cho mục đích chế tạo máy phát điện ở vùng nhiệt độ cao. Tuy nhiên, cơ chế đồng thời tạo ra α, σ cao và λ thấp đang là vấn đề tranh luận sôi nổi của các nhóm nghiên cứu vật liệu nhiệt điện. Vật liệu pervoskite có công thức tổng quát ABO 3 , với A là cation của nguyên tố đất hiếm hay kim loại kiềm thổ (Y, La, Nd, Sm, Ca, Ba…), B là cation của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp (Mn, Co, Fe). Sự thay thế các nguyên tố khác vào các vị trí của A hoặc B hoặc thay thế đồng thời cùng lúc hai vị trí tạo ra rất nhiều sự thay đổi tính chất. Khi có sự pha tạp, tính chất nhiệt điện của các vật liệu perovskite có khá nhiều hứa hẹn cải thiện để phù hợp với các mục đích ứng dụng khác nhau . 3 Các hướng nghiên cứu chế tạo và khảo sát vật liệu pervoskite được thực hiện với các họ vật liệu quen thuộc như SrTiO 3 , LaMnO 3 , CaMnO 3 , LaFeO 3 … Trước đây, nhóm nghiên cứu vật liệu gốm nhiệt điện của Bộ môn Vật lý Chất rắn, Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia-Hà nội, đã chế tạo vật liệu LaFeO 3 pha tạp Ti cho hệ số Seebeck có giá trị dương rất lớn, cỡ mV/K. Tuy nhiên, độ dẫn điện của vật liệu còn thấp nên chưa thể ứng dụng thực tế được. Nhằm nghiên cứu làm tăng độ dẫn điện của vật liệu nói trên, tôi chọn đề tài “Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ - điện của vật liệu nhiệt điện hệ orthorferrit La(TiCoCuFe)O 3 ” làm đề tài cho luận văn. Nội dụng chính của bản luận văn gồm: - Mở đầu - Chương 1: Giới thiệu tổng quan về vật liệu nhiệt điện và vật liệu orthorferrit LaFeO 3 . - Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm. Trình bày phương pháp chế tạo mẫu và các phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể, cấu trúc tế vi, tính chất điện và tính chất từ của vật liệu chế tạo được. - Chương 3 : Kết quả và thảo luận. Trình bày những kết quả chế tạo mẫu, nghiên cứu cấu trúc tinh thể, cấu trúc tế vi, tính chất điện và tính chất từ của mẫu đã chế tạo và đưa ra những nhận xét, giải thích kết quả. - Kết luận. - Tài liệu tham khảo. - Phụ lục. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NHIỆT ĐIỆN VÀ VẬT LIỆU ORTHOR FERRIT LaFeO 3 1.1 Hiệu ứng nhiệt điện 1.1.1 Định nghĩa Khi hai dây kim loại khác nhau như sắt và đồng cùng nối vào hai đầu của một mạch điện và một trong hai đầu được đốt nóng với nhiệt độ cao hơn đầu còn lại thì trong mạch xuất hiện dòng điện (hình 1.1) do các electron tự do chuyển động theo một hướng xác định dưới tác dụng của sức điện động (EMF). Hiện tượng này gọi là hiệu ứng nhiệt điện hoặc hiệu ứng Seebeck, đặt theo tên của nhà Vật lý người Đức đã phát hiện ra hiện tượng này năm 1821 [1-2]. 5 Hình 1.1 Hiệu ứng nhiệt điện hình thành giữa hai kim loại sắt - đồng Vậy hiệu ứng nhiệt điện là sự biến đổi trực tiếp năng lượng nhiệt thành năng lượng điện và ngược lại, khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật dẫn khác nhau kết nối với nhau. Hiện tượng này được giải thích khi hai kim loại khác nhau được nối với nhau, các electron tự do đi qua chỗ nối, do cấu trúc nguyên tử của mỗi kim loại khác nhau nên các electron đi qua chỗ nối theo một hướng dễ dàng hơn hướng còn lại. Kết quả của sự chuyển dời điện tích làm cho một kim loại tích điện dương và kim loại còn lại tích điện âm. Hiệu điện thế hình thành giữa hai kim loại gọi là hiệu thế tiếp xúc và nó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ chỗ tiếp xúc. Bằng cách giữ nhiệt độ một đầu cao hơn các electron đi qua chỗ nối nhanh hơn và giữ cho hiệu thế tiếp xúc ổn định, vì thế mà sức điện động được tạo thành. 1.1.2 Hiệu ứng nhiệt điện Trong tự nhiên cũng như nhân tạo tồn tại nhiều loại vật liệu có những tính chất đặc biệt dưới tác dụng của nhiệt độ. Chẳng hạn, khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu của một cặp vật liệu, thế nhiệt điện động xuất hiện do sự chênh lệch nồng độ hạt tải điện giữa hai đầu. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng nhiệt điện (Thermoelectric effect) và thế nhiệt điện động có thể được mô tả qua biểu thức: )TT( 21 −α=ε (1.1) hay Τ ∫ α=ε Τ Τ Τ d 2 1 )( (1.2) Với dT dV T )( =α Τ là thế nhiệt điện động riêng hay còn được gọi là hệ số Seebeck. Độ lớn của α phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và nhiệt độ chênh lệch giữa hai đầu vật liệu, tức là ứng với các vật liệu khác nhau các giá trị của α sẽ khác nhau. Nguồn gốc của thế nhiệt điện động được giả thiết do ba nguyên nhân [5]: Một là, sự xuất hiện của dòng hạt tải có hướng trong lòng vật liệu khi có sự chênh lệch gradient nhiệt độ. Dòng hạt tải dịch chuyển từ đầu nóng có năng lượng lớn hơn 6 tới đầu lạnh hình thành nên thế nhiệt điện động thể tích. Hệ số Seebeck tương ứng với loại thế nhiệt điện động này là α V . Hai là, do sự thay đổi vị trí mức Fermi theo nhiệt độ. Theo chiều tăng của nhiệt độ, có sự giảm mức Fermi. Ở đầu lạnh mức Fermi cao hơn ở đầu nóng, dẫn tới nồng độ điện tử linh động ở đây lớn hơn ở đầu lạnh. Thế nhiệt động hình thành từ nguyên nhân này là thế nhiệt động tiếp xúc, hệ số Seebeck được kí hiệu là α k . Nguyên nhân thứ ba: sự kích thích hạt tải điện bởi các phonon nhiệt. Khi tồn tại gradient nhiệt độ hiện tượng trôi các phonon nhiệt từ đầu nóng sang đầu lạnh xuất hiện. Xác suất tán xạ của các điện tử trên các phonon tăng, cuốn theo sự dịch chuyển của các hạt tải điện với vận tốc bằng vận tốc dịch chuyển của các phonon. Hệ số Seebeck của hệ ở nhiệt độ thấp do tác dụng của phonon nhiệt α P hàng chục, cho tới hàng trăm lần lớn hơn α v và α k . Hệ số Seebeck tổng cộng được xác định qua biểu thức: α = α V + α k + α P (1.3) Ứng với các giá trị thành phần, dấu của α có thể được xác định. Qua đó, vật liệu được phân biệt theo các loại bán dẫn, tức là biết được hạt tải cơ bản của vật liệu là điện tử hay lỗ trống. Khi α < 0 ta có bán dẫn loại n, ngược lại sẽ cho bán dẫn loại p. Để nghiên cứu, đánh giá tính chất nhiệt điện của vật liệu còn có thể sử dụng hệ số phẩm chất Z. Đó là sự tổng hợp của độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt và hệ số Seebeck. Biểu thức cụ thể của Z: 2 Z α σ λ = (1.4) trong đó λ, σ lần lượt là độ dẫn nhiệt, độ dẫn điện đặc trưng cho từng loại vật liệu. Hiệu ứng nhiệt điện được chia làm ba loại: hiệu ứng Seebeck, hiệu ứng Peltier, hiệu ứng Thomson (được phát hiện sau đó 20 năm), trong đó hiệu ứng Thomson lại được chia làm hai loại. Ta có thể phân biệt bốn loại hiệu ứng như sau [4]: * Hiệu ứng 1: Nếu hai vật dẫn khác nhau được kết nối và hai chỗ nối được giữ ở nhiệt độ khác nhau thì lực điện động hình thành trong mạch. 7 * Hiệu ứng 2: Nếu có một dòng điện chạy trong mạch chứa hai vật dẫn khác nhau thì một đầu chỗ nối nóng lên và đầu còn lại lạnh đi. * Hiệu ứng 3: Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu của một vật dẫn, thì giữa hai điểm đó xuất hiện một hiệu điện thế. * Hiệu ứng 4: Nếu có dòng điện đi qua một vật dẫn thì giữa hai đầu vật dẫn xuất hiện một gradient nhiệt độ, dòng nhiệt chạy từ đầu này sang đầu kia của vật dẫn. Các hiệu ứng trên có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, hiệu ứng 1 và 2 có thể đổi ngược cho nhau, hiệu ứng 3 và 4 cũng vậy. Thomas Johann Seebeck nhận biết hiệu ứng 1 lần đầu tiên năm 1821, ông đã mất nhiều thời gian trong sự nghiệp nghiên cứu khoa học của mình để đo hiệu ứng này giữa các cặp vật dẫn khác nhau. Năm 1834, Jean Charles Athanase Peltier nhận biết hiệu ứng 2 là sự đảo ngược của hiệu ứng 1. Khoảng 20 năm sau (1854-1855), William Thomson suy diễn logic và chứng minh được hiệu ứng 3 và 4. Như kết quả đã trình bày ở trên, 4 hiệu ứng nhiệt điện được đặt tên chính xác như sau: Hiệu ứng 1 là hiệu ứng Seebeck. Hiệu ứng 2 là hiệu ứng Peltier. Hiệu ứng 3 là hiệu ứng Thomson âm. Hiệu ứng 4 là hiệu ứng Thomson dương. Hiệu ứng nhiệt điện có thể sử dụng để tạo ra dòng điện, đo nhiệt độ, làm lạnh hoặc nung nóng một vật nào đó. Do có độ tin cậy cao, kích thước nhỏ, các thiết bị nhiệt điện sử dụng vật liệu nhiệt điện có thể có vô số các ứng dụng khác nhau. Thiết bị nhiệt điện có thể đo được chênh lệch nhiệt độ bên ngoài khi bên trong vật dẫn có dòng điện đi qua hoặc đo chênh lệch nhiệt độ bên trong vật dẫn khi bên ngoài có dòng điện chạy trong mạch. Do tính chất thuận nghịch này mà các thiết bị nhiệt điện sử dụng vật liệu nhiệt điện rất phù hợp trong việc tạo ra dòng điện từ các nguồn nhiệt nóng, lạnh. 1.1.3 Lý thuyết của hiệu ứng nhiệt điện Hiệu ứng Seebeck 8 Nhìn chung, hiệu ứng Seebeck là sự chuyển đổi trực tiếp năng lượng nhiệt thành năng lượng điện. Hiệu điện thế hay lực điện động được tạo ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai kim loại hoặc bán dẫn. Trường hợp này, dòng điện liên tục tạo ra trong hai vật dẫn nếu chúng được nối thành mạch, hiệu điện thế tiếp xúc được tạo ra chỉ vài µV/K. Hiệu thế này xuất phát từ phương trình: ( ) ( ) ( ) 2 1 - T B A T V S T S T dT = ∫ (1.5) Với S A và S B là các hệ số Seebeck (cũng còn được gọi là hệ số nhiệt điện) của kim loại A và B, là một hàm phụ thuộc nhiệt độ, T 1 và T 2 là nhiệt độ tại hai chỗ nối. Hệ số Seebeck là một hàm không tuyến tính theo nhiệt độ, phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối, bản chất vật liệu và cấu trúc nguyên tử của các vật liệu. Nếu hệ số Seebeck là hằng số trong một khoảng nhiệt độ nào đó thì biểu thức 1.5 có thể được viết lại gần đúng như sau: ( ) ( ) 2 1 - - B A V S S T T = (1.6) Hiệu ứng Peltier Hiệu ứng Peltier là hiện tượng đảo ngược của hiệu ứng Seebeck, khi một dòng điện qua mạch chứa hai kim loại khác nhau thì một đầu bị nung nóng ở nhiệt độ T 2 cao hơn và đầu còn lại hấp thụ nhiệt độ T 1 thấp hơn. Tức là chỗ nối còn lại bị làm lạnh, hiệu ứng làm lạnh này là cơ sở lý thuyết cho việc chế tạo các máy làm lạnh. Dòng nhiệt Peltier • Q hấp thụ bởi đầu có nhiệt độ thấp hơn trên một đơn vị thời gian bằng: ( ) • AB - B A Q I I = ∏ = ∏ ∏ (1.7) Với Π AB là hệ số Peltier của cặp nhiệt còn Π A và Π B là hệ số Peltier của mỗi kim loại. Hiệu ứng Peltier cho biết dòng nhiệt được tạo ra trên một đơn vị điện tích đi qua vật liệu là bao nhiêu. Khi dòng điện đi qua một chỗ nối là liên tục, dòng nhiệt cũng sẽ tạo thành liên tục nếu Π A và Π B khác nhau và khác không vì thế dòng nhiệt 9 được tích lũy lại hoặc giải phóng phụ thuộc vào hướng (dấu) của dòng điện. Một cách khác để hiểu tại sao một chỗ nối có thể bị lạnh đi là: khi các electron đi từ vùng có mật độ cao đến vùng có mật độ thấp giãn nở lạnh đi (tương tự như khí lý tưởng). Các hạt tải cố gắng vượt qua để trở lại trạng thái cân bằng electron, trạng thái tồn tại trước khi dòng được cung cấp bởi năng lượng hấp thụ tại một đầu nối và giải thoát tại đầu còn lại. Cặp nhiệt có thể kết nối nối tiếp để làm tăng hiệu ứng. Một kết quả quan trọng của hiệu ứng này là hướng chuyển dời của dòng nhiệt được khống chế bởi sự phân cực của dòng điện, sự đảo chiều phân cực sẽ thay đổi hướng chuyển dời của dòng nhiệt và kết quả là dấu của dòng nhiệt thay đổi (dòng nhiệt hấp thụ hoặc phát ra). Hiệu ứng Thomson Hiệu ứng Thomson mô tả sự nóng lên hay lạnh đi khi một vật dẫn mang dòng điện. Bất kỳ một vật dẫn mang dòng điện nào (ngoại trừ chất siêu dẫn), với sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu sẽ hấp thụ hoặc phát nhiệt phụ thuộc vào bản chất của vật liệu. Nếu dòng điện có mật độ J đi qua một vật dẫn thuần nhất, dòng nhiệt tạo ra trên một đơn vị thể tích là: 2 - dT q J J dx = ρ β (1.8) Với ρ là điện trở của vật liệu, dT/dx là gradient nhiệt độ dọc theo dây dẫn, β là hệ số Thomson. Số hạng đầu tiên ρ J² trong phương trình 1.8 là hiệu ứng nhiệt Joule, không có sự đảo ngược. Số hạng thứ hai là hiệu ứng nhiệt Thomson, có sự thay đổi dấu khi J đổi hướng. Trong các vật liệu như kẽm và đồng, đầu nào được nung nóng thì thế tại đó cao hơn và lạnh hơn thì thế tại đó thấp hơn, khi dòng di chuyển từ đầu nóng sang đầu lạnh cũng đồng nghĩa với việc di chuyển từ nơi có thế cao đến nơi có thế thấp, vì thế ở đó có sự phát nhiệt. Đây là hiệu ứng Thomson dương. 10 [...]... dẫn của vật liệu gốm nhiệt điện bằng biện pháp sử dụng các nguyên tố pha tạp vào vật liệu gốc làm tăng độ dẫn và sử dụng vật liệu gốm nhiệt điện ở vùng nhiệt độ cao, lợi dụng tính chất dẫn điện như vật liệu bán dẫn của đa số các vật liệu gốm nhiệt điện, độ dẫn tăng khi tăng nhiệt độ sử dụng Một số hệ vật liệu gốm nhiệt điện đã, đang được nghiên cứu chế tạo và ứng dụng được giới thiệu sau đây 1.3 Hệ vật. .. lớn, độ dẫn điện giảm mạnh, hệ số phẩm chất (Z) giảm mạnh, đó là nhược điểm lớn của vật liệu nhiệt điện kim loại và chúng không sử dụng được ở vùng nhiệt độ cao 1.2.2 Vật liệu gốm nhiệt điện Người ta đã tìm ra một số vật liệu gốm có tính nhiệt điện Ưu điểm lớn nhất của vật liệu gốm nhiệt điện là hệ số Seebeck lớn, độ dẫn nhiệt rất thấp Nhược điểm lớn nhất của chúng là độ dẫn điện kém Tuy nhiên, người... vật liệu gốm nhiệt điện perovskite ABO3 1.3.1 Hệ vật liệu SrTiO3 12 SrTiO3 là vật liệu bán dẫn loại n hứa hẹn nhiều điểm lý thú khi nghiên cứu các tính chất nhiệt điện Khi pha tạp các nguyên tố đất hiếm như Y, La, Sm, Gd, Dy, Nb, Ce, Ta…thì tính chất nhiệt điện của hệ cải thiện đáng kể, ví dụ khi pha tạp Nb thì giá trị hệ số phẩm chất Z cao nhất là 0.34 tại 900 K [8] Phương pháp chế tạo hệ vật liệu. .. ρ ∞ phụ thuộc vào nồng độ phonon, do quá trình nhảy có sự tham gia của phonon T0 là nhiệt độ đặc trưng phụ thuộc vào chiều dài định xứ của điện tử 1/ α và mật độ trạng thái của điện tử 1.6 Tính chất từ của các mẫu gốm perovskite ABO3 chứa các ion từ tính Các mẫu perovskite ABO3 có tính chất từ điện trở khổng lồ, từ nhiệt và nhiệt điện cao đều có chứa các ion từ tính : Fe, Mn, Ni, Co… và ion nguyên... trúc điện tử của vật liệu không bị suy biến (cấu trúc điện tử của bán dẫn) và tán xạ hạt tải trên các thành phần khác (thông số A e) trong vật liệu như tán xạ phonon, tán xạ trên các tâm tạp hoặc các sai hỏng trong vật liệu Sự ảnh hưởng của tán xạ hạt tải lên tính chất nhiệt điện của vật liệu là vấn đề cần nghiên cứu để có thể định hướng cho việc tìm kiếm vật liệu nhiệt điện có tính chất như mong... ở nhiệt độ cao hơn điều này phụ thuộc nhiều vào các ion đất hiếm ở vị trí A của hệ Sự biến đổi cấu trúc, méo mạng, các sai hỏng mạng ảnh hưởng nhiều đến tính chất nhiệt điện của chúng như hệ số Seebeck và điện trở suất Kết quả nghiên cứu tính chất nhiệt điện trên hệ vật liệu Ln(Co, Ni)O 3 (Ln = La, Pr, Nd, Sm, Gd và Dy) [14] chỉ ra rằng sự chuyển đổi từ tính bán dẫn sang tính dẫn kim loại ở vùng nhiệt. .. hoặc Y) Bởi các vật liệu orthoferrit có nhiều đặc tính để có thể ứng dụng trong thực tế như hoạt tính xúc tác dùng để làm chất xúc tác cho các phản ứng hóa học, tính nhạy khí có thể ứng dụng để chế tạo sensor khí Trong orthoferrit thì vật liệu điển hình là LaFeO3 được nghiên cứu Vật liệu LaFeO3 có nhiều tính chất ứng dụng được trong thực tế như vật liệu nhiệt điện, chế tạo pin nhiên liệu, chất xúc tác... dương và giảm theo nhiệt độ [16] Hệ vật liệu (La, Sr)(Co,Fe)O 3, tính dẫn điện tử và ion tăng tại vùng nhiệt độ cao [17, 18] Khi khảo sát tính dẫn và đo hệ số Seebeck của hệ vật liệu LaFe 1CuxO3 (x = 0.10, 0.14, 0.18) trong vùng nhiệt độ 473–1073K, các tác giả [19] cho x 21 thấy quá trình doping Cu cải thiện đáng kể tính dẫn của vật liệu Các mẫu thể hiện tính bán dẫn, mối liên hệ giữa nhiệt độ và điện. .. thuận tiện cho việc so sánh hiệu suất của các thiết bị sử dụng các vật 11 liệu nhiệt điện khác nhau Giá trị ZT =1 được xem là rất tốt Đến bây giờ, giá trị tốt nhất tìm được của ZT là nằm trong khoảng 2-3 [1] 1.2 Vật liệu nhiệt điện Tồn tại hai loại vật liệu nhiệt điện : vật liệu nhiệt điện kim loại, hợp kim và gốm nhiệt điện 1.2.1 Vật liệu nhiệt điện kim loại, hợp kim Từ rất lâu, các nhà khoa học đã thăm... Co+2 và hệ tồn tại hai loại hạt tải, ở vùng nhiệt độ thấp hơn 450K, điện tử chiếm ưu thế nên hệ số Seebeck mang giá trị âm 1.4 Vật liệu orthoferrite (Perovskite LaFeO 3) Hợp chất được chế tạo và nghiên cứu trong luận văn này là hợp chất perovskite hệ sắt được gọi là orthorferrit lantan LaFeO 3 Trong mấy năm gần đây hợp chất perovskite này được chú ý nghiên cứu do có hiệu ứng nhiệt điện cao ở nhiệt . điện của vật liệu còn thấp nên chưa thể ứng dụng thực tế được. Nhằm nghiên cứu làm tăng độ dẫn điện của vật liệu nói trên, tôi chọn đề tài Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ - điện của vật liệu. kiếm vật liệu nhiệt điện có tính chất như mong muốn. Thông thường vật liệu nhiệt điện bị pha tạp, tính chất nhiệt điện của vật liệu bị ảnh hưởng không chỉ bởi cấu trúc vùng điện tử của vật liệu. chất dẫn điện như vật liệu bán dẫn của đa số các vật liệu gốm nhiệt điện, độ dẫn tăng khi tăng nhiệt độ sử dụng. Một số hệ vật liệu gốm nhiệt điện đã, đang được nghiên cứu chế tạo và ứng dụng được