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 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT NHIỆT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC LỚP SnSe VÀ SnS Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: TS DƯƠNG ANH TUẤN 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 Bình Định, ngày 30 tháng 06 năm 2019 Học viên Đinh Thị Mỹ Hảo LỜI CẢM ƠN 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 Tơi chân thành cảm ơn tập thể học viên cao học nghiên cứu sinh trường Đại học Quy Nhơn luôn đồng hành giúp đỡ mặt trình học tập thực luận văn Cuối cùng, tơi xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè, người bên cạnh, giúp đỡ vật chất tinh thần, người ủng hộ, động viên tơi suốt q trình học tập thực luận văn Tác giả Đinh Thị Mỹ Hảo MỤC LỤC 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 4 Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 1.1 Hiệu ứng nhiệt điện 1.1.1 Hiệu ứng Seebeck 1.1.2 Hiệu ứng Peltier 1.1.3 Hiệu ứng Thomson 1.2 Tổng quan vật liệu nhiệt điện 1.3 Cấu trúc tinh thể cấu trúc giải lượng SnSe SnS 10 1.3.1 Cấu trúc tinh thể SnSe SnS 10 1.3.2 Cấu trúc giải lượng SnSe SnS 11 CHƯƠNG CƠ SỞ THỰC NGHIỆM 14 2.1 Chế tạo đơn tinh thể SnSe, SnS, (SnSe)1-x(SnS)x phương pháp biến thiên nhiệt độ 14 2.1.1 Phương pháp biến thiên nhiệt độ chế tạo đơn tinh thể 14 2.1.2 Quy trình chế tạo vật liệu SnSe, SnS hỗn hợp SnSe-SnS 15 2.2 Khảo sát hình thái, cấu trúc, thành phần tính chất vật liệu SnSe, SnS, SnSe1-xSx (0< x 1) 20 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 3.1 Cấu trúc đơn tinh thể bán dẫn SnSe SnS chế tạo phương pháp biến thiên nhiệt độ 28 3.2 Tính chất nhiệt điện đơn tinh thể SnSe chế tạo phương pháp biến thiên nhiệt độ 30 3.2.1 Độ dẫn điện, nồng độ hạt tải đơn tinh thể SnSe 30 3.2.2 Power factor đơn tinh thể SnSe 32 3.3 Tính chất nhiệt điện đơn tinh thể SnS chế tạo phương pháp biến thiên nhiệt độ 33 3.3.1 Độ dẫn điện, hệ số Seebeck, nồng độ hạt tải đơn tinh thể SnS 34 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 1xSx 36 3.4.1 Hình ảnh mẫu hình thái bề mặt mẫu 37 3.4.2 Phổ nhiễu xạ tia X hợp chất lai hóa SnSe1-xSx 38 3.4.3 Tính chất nhiệt điện hợp chất lai hóa SnSe1-xSx 40 KẾT LUẬN 42 DANH MỤC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Kí hiệu, viết tắt FE-SEM EDX XRD TPMS ZT Tên tiếng Anh Field Esmission Scanning Electron Microscope Nghĩa tiếng Việt Kính hiển vi điện tử quét Energy-dispersive X-ray Phổ tán sắc lượng tia spectroscopy X X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X Transport Properties Hệ đo tính chất dịch chuyển Measurement System hạt tải vật liệu Thermoelectric figure of Độ phẩm chất nhiệt điện Merit vật liệu PF Power Factor Hệ số công suất  Electrical conductivity Độ dẫn điện vật liệu S Seebeck coefficient Hệ số Seebeck vật liệu  Electrical Resistivity Điện trở suất vật liệu 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 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 Hình 2.2 Ống quartz bịt vuốt nhọn đầu dùng làm bình tổng hợp đơn tinh thể 16 Hình 2.3 Quy trình hút chân khơng hàn bịt ống quartz tổng hợp đơn tinh thể 17 Hình 2.4 Chu trình thay đổi nhiệt độ trình chế tạo đơn tinh thể SnSe SnS 19 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 Hình 2.7 Hệ đo tính chất điện (transport properties) nhiệt độ thấp 23 Hình 2.8 Mơ phép đo Seebeck tích hợp hệ đo transport 24 Hình 2.9 Số liệu đo phụ thuộc độ chênh lệch điện V theo T mẫu màng Bi nhiệt độ phòng .25 Hình 2.10 Mơ phép đo tính chất điện vật liệu .26 Hình 3.1 Sắp xếp nguyên tử Sn Se mạng tinh thể Orthohombic theo hướng tinh thể khác anh STM đơn tinh thể SnSe .28 Hình 3.2 Hình thái bề mặt đơn tinh thể thông qua ảnh FE-SEM phổ nhiễu xạ tia X mẫu (a, b) SnSe (c, d) SnS 29 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 Hình 3.8 (a) Ảnh chụp (b) ảnh FE-SEM mẫu đơn tinh thể SnSe1xSx 37 Hình 3.9 (a) phổ nhiễu xạ tia X hợp chất lai hóa SnSe1-xSx, (b) biến thiên số mạng theo nồng độ hỗn hợp .38 Hình 3.10 (a) Điện trở suất phụ thuộc vào nhiệt độ hợp chất lai hóa SnSe 1-xSx, (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 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vấn đề lượng tái tạo việc tìm kiếm nguồn lượng thân thiện với môi 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 ứng Seebeck số vật liệu có hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện cao xu hướng nghiên cứu Ngồi ra, tính khác vật liệu nhiệt điện chuyển đổi ngược từ điện thành máy làm lạnh thông qua hiệu ứng Peltier Việc nghiên cứu phát triển vật liệu nhiệt điện có hiệu suất chuyển đổi cao tập trung vào số xu hướng: (1) Tổng hợp phát triển loại vật liệu có hệ số phẩm chất nhiệt điện 𝑍𝑇 = 𝑆2 𝜎 𝜅 𝑇 (Thermoelectric figure of merit) cao Trong đó: S hệ số Seebeck,  độ dẫn điện,  độ dẫn nhiệt vật liệu, T nhiệt độ tuyệt đối (2) Nâng cao hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện thiết bị (3) Tăng độ bền thiết bị chuyển đổi nhiệt điện làm việc môi trường nhiệt độ cao Ở xu hướng thứ nhất, việc để nâng cao giá trị ZT vật liệu đồng nghĩa với việc phải tổng hợp vật liệu thỏa mãn đồng thời yêu cầu: Dẫn điện tốt, hệ số Seebeck cao dẫn nhiệt Tuy nhiên, ba thông số độ dẫn điện, hệ số Seebeck độ dẫn nhiệt lại phụ thuộc lẫn Điều dẫn đến việc điều chỉnh thơng số theo chiều hướng tích cực thơng 35 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 Từ kết phụ thuộc độ dẫn điện hệ số Seebeck (S) theo nhiệt độ, chúng tơi tính tốn giá trị hệ số công suất (PF) tinh thể đơn SnS chế tạo, kết thể hình 3.7 Do độ dẫn điện SnS thấp nên hệ số Seebeck có cao so với SnSe hệ số công suất thu nhỏ Với việc chế tạo thành công đơn tinh thể SnS nghiên cứu đặc trưng cấu trúc vật liệu tác giả thu số kết để đánh giá tính chất nhiệt điện vật liệu Hệ số công suất lớn mà tác giả quan sát 36 Hình 3.7 Hệ số công suất phụ thuộc vào nhiệt độ đơn tinh thể SnS mẫu SnS đơn tinh thể 7.87x10 -4 W/cmK2, nhỏ khoảng 500 lần so với đơn tinh thể SnSe Mặc dù kết thu khơng cao, nhiên cho thấy, muốn cải thiện tính chất nhiệt điện SnS yếu tố quan trọng tăng nồng độ hạt tải vật liệu 3.4 Cấu trúc tính chất nhiệt điện hợp chất lai hóa SnSe1-xSx Các nghiên cứu SnSe1-xSx (0