Khảo sát quy trình tổng hợp vật liệu khối zno đồng pha tạp gaincho ứng dụng nhiệt điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG c om  LÊ VĂN PHỤ co ng KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP an KHẢO SÁT QUY TRÌNH TỔNG HỢP VẬT LIỆU g th KHỐI ZnO ĐỒNG PHA TẠP Ga-In CHO cu u du on ỨNG DỤNG NHIỆT ĐIỆN Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG Tp.HCM, 2018 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG c om  ng LÊ VĂN PHỤ an co KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP th KHẢO SÁT QUY TRÌNH TỔNG HỢP VẬT LIỆU du on g KHỐI ZnO ĐỒNG PHA TẠP Ga-In CHO cu u ỨNG DỤNG NHIỆT ĐIỆN Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG Tp.HCM, 2018 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Phan Bách Thắng, người truyền dạy kiến thức quý báu, tận tình bảo truyền lửa nhiệt huyết trình học tập Em xin cảm ơn đến quý thầy cô giáo Trường Đại học Khoa học Tự nhiên c om Tp.HCM nói chung khoa Khoa học Công nghệ vật liệu, mơn Vật liệu nano màng mỏng nói riêng nhiệt tình dạy, truyền đạt kiến thức quý báu năm học đại học ng Em xin cảm ơn đến cô Tạ Thị Kiều Hạnh, cô Phạm Kim Ngọc, anh co Nguyễn Hữu Trương, anh Hoàng Văn Dũng anh Phạm Thanh Tuấn Anh quan tâm hỗ trợ, chỉnh sửa kiến thức q trình hồn thành khóa luận Em an cảm ơn đến phịng thí nghiệm VLKTC tạo điều kiện hỗ trợ em q th trình làm hồn thành khóa luận g Em xin cảm ơn chân thành Trung Tâm Nghiên Cứu Vật Liệu Cấu trúc du on Nano Phân tử (INOMAR) , Phịng thí nghiệm Vật Liệu Nano Màng Mỏng hỗ trợ em trình phân tích mẫu Em xin cảm ơn Thu Thảo, Hương Thảo, Hồng người đồng cu u hành em hồn thành khóa luận tất bạn 14MM cố gắng năm đại học Cuối cùng, cảm ơn cha mẹ dạy dỗ, động viên chỗ dựa tinh thần cho con! Sinh viên Lê Văn Phụ 14MM Khoa khoa học vật liệu i SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH SÁCH HÌNH ẢNH v DANH SÁCH BẢNG BIỂU vi c om TÓM TẮT vii MỞ ĐẦU viii 1.1 ng CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT VÀ VẬT LIỆU NHIỆT ĐIỆN Hiện tượng hiệu ứng nhiệt điện Hiệu ứng Seebeck 1.1.2 Hiệu ứng Peltier 1.1.3 Giới thiệu công nghệ pin nhiệt điện-Ứng dụng 1.1.4 Pin nhiệt điện .5 an th g du on 1.2 co 1.1.1 Các tính chất nhiệt điện Độ dẫn điện 1.2.2 Hệ số dẫn nhiệt (𝜅) cu u 1.2.1 1.2.3 Hệ số Seebeck .8 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU 10 2.1 Tổng quan vật liệu ZnO khối 10 2.1.1 Cấu trúc tinh thể 10 2.1.2 Tính chất ứng dụng .10 2.1.3 Vật liệu ZnO pha tạp 11 2.2 Tổng quan vật liệu có cấu trúc Delafosside CuCr1-xMgxO 12 ii SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG 2.2.1 Cấu trúc vật liệu 12 2.2.2 Tính chất điện vật liệu 13 2.3 Các nghiên cứu loại vật liệu nhiệt điện .14 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 16 3.1 Quy trình chế tạo vật liệu gốm 16 3.1.1 Chế tạo vật liệu loại N IGZO 17 3.1.2 Chế tạo vật liệu loại P CuCr0.95Mg0.05O2 19 Lắp ráp linh kiện 20 3.3 Thiết lập hệ đo dòng linh kiện pin nhiệt điện 22 c om 3.2 ng CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 24 Phân tích cấu trúc vật liệu nhiễu xạ tia X 24 4.2 Phân tích tính chất nhiệt loại vật liệu loại n 27 4.3 Khảo sát hoạt động linh kiện 31 4.4 Kết đạt 32 4.5 Hướng phát triển tương lai .33 cu u du on g th an co 4.1 iii SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu viết tắt Tên đầy đủ Ý nghĩa IGZO Indium Gallium doped Zinc oxide Kẽm oxit pha tạp Indium Gallium M1 Mẫu Bột ép nung 1400oC Mẫu M3 Mẫu MCCO Magie Crom doped Copper (I) oxit TEG Thermoelectric Generator Pin nhiệt điện XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X cu u du on g th an co ng c om M2 Bột ép khối nung 1000oC- nghiền bột-ép khối nung 1400oC Bột nung 1000oC- ép khối nung 1400oC Đồng (I) oxide pha tạp Magie Crom iv SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1 Mơ tả hiệu ứng nhiệt điện Hình Mơ tả thiết bị nhiệt điện dạng khối hoạt động dựa hiệu ứng Seebeck Hình Mơ tả hiệu ứng Peltier Hình Mơ tả thiết bị nhiệt điện dạng khối hoạt động dựa hiệu ứng Peltier.[5] Hình Mơ tả hướng di chuyển hạt tải n, p dòng điện [10] .6 Hình Cấu trúc hexagonal wurtzite ZnO 10 Hình 2 Cấu trúc Delafossite CuCrO2 13 c om Hình Sơ đồ Quy trình thực nghiệm 18 Hình Trái: Chu trình nung 1000 oC, Phải: Chu trình nung 1400 oC 18 Hình 3 Hình ảnh mẫu vật liệu khối loại n sau tổng hợp 19 ng Hình Sơ đồ chế tạo vật liệu loại p 19 co Hình Hình ảnh mẫu vật liệu loại P sau tổng hợp 20 Hình Mô đun nhiệt điện 21 an Hình Sơ đồ chế tạo linh kiện in nhiệt điện .21 th Hình Trái: Tạo điện cực cho chân n, p, để ceramic, Phải: Kẹp linh kiện chuẩn bị g nung .22 du on Hình Trái: sơ đồ mạch điện, Phải: Sơ đồ thực tế 22 Hình 10 Bếp gia nhiệt 23 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X tiền chất IGZO sau sấy 120oC 24 cu u Hình So sánh giản đồ nhiễu xạ mẫu M1, M2, M3 .25 Hình Kết tính chất nhiệt điện M1, M2, M3 .27 Hình 4 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện M1, M2, M3 28 Hình Đồ thị biểu diễn hệ số Seebeck mẫu M1, M2, M3 29 Hình Đồ thị biểu diễn hệ số công suất mẫu M1, M2, M3 30 Hình Đồ thị cơng suất – nhiệt độ 32 v SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng Tính chất điện Delafossite [15] 13 Bảng 2 Tính chất vật liệu Delafossite CuCrO2 sau pha tạp [15] 14 Bảng Quy trình thực nghiệm chế tạo thực nghiệm bia vật liệu loại n, p 16 Bảng Bảng danh sách hóa chất dùng tổng hợp bia gốm loại n, p 16 Bảng 3 Khối lượng oxit thành phần vật liệu loại n 17 Bảng Bảng khối lượng oxit thành phần 19 Bảng Kích thước hạt .26 c om Bảng Bảng số liệu dòng áp nhiệt linh kiện nhiệt điện sử dụng vật cu u du on g th an co ng liệu loại nM3 kết hợp với loại p .31 vi SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG TÓM TẮT Với mục tiêu đề tài tạo linh kiện nhiệt điện có khả chuyển từ lượng nhiệt sang lượng điện dựa vật liệu ZnO pha tạp Delaffosite Khóa luận phần tổng quan nêu lên tính chất vật liệu nhiệt điện yêu cầu tính chất vật liệu để có linh kiện nhiệt điện có hiệu chuyển c om đổi tốt Tiếp theo đề cập loại vật liệu nghiên cứu cho đề tài bán dẫn nghiên cứu trước vật liệu cho linh kiện nhiệt điện Cũng tình hình nghiên cứu vật liệu nhiệt điện khảo sát tính chất linh kiện ng Trong phần thực nghiệm, bước đầu tập trung chế tạo vật liệu loại n - IGZO phương pháp bột nhằm ứng dụng vào linh kiện nhiệt điện co Chương 1: Tổng quan tính chất vật liệu nhiệt điện Đưa khái niệm an tượng nhiệt điện, hiệu ứng nhiệt điện xảy vật liệu tính chất nhiệt điện th Giới thiệu công nghệ pin nhiệt điện quan tâm tính cấp thiết đề tài pin nhiệt điện góp phần vào vấn đề lượng nước du on g giới Chương 2: Tổng quan tính chất ứng dụng vật liệu sử dụng Trình bày tính chất ứng dụng vật liệu sử dụng cho nghiên cứu u chế tạo linh kiện nhiệt điện Cho thấy vật liệu đáp ứng yêu cầu độ cu dẫn điện, độ dẫn nhiệt hệ số Seebeck Đưa số nghiên cứu thực tác giả nước loại vật liệu IGZO cấu trúc Delafositte sử dụng nghiên cứu này, thấy mức độ tình hình nghiên cứu loại vật liệu nước Chương 3: Phương pháp chế tạo khảo sát tính chất Đưa phương pháp chế tạo, kỹ thuật khảo sát riêng biệt sử dụng cấu trúc vật liệu, hệ số độ dẫn điện hệ số Seebeck Từ đó, tìm điều kiện cần cải tiến Chương 4: Kết thảo luận vii SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG MỞ ĐẦU Trong sống nay, người cần đến nhiều nguồn lượng để phục vụ cho mục đích khác Những nguồn lượng có sẵn tự nhiên than, khí đốt, dầu… sử dụng từ sớm nguồn lượng hóa thạch có hạn, gây nhiều vấn đề có hại cho mơi trường ảnh hưởng nghiêm trọng tới sống nhiễm nguồn nước, khơng khí,…Tìm kiếm nguồn lượng mới, sạch, thân thiện với môi trường, đáp ứng cho nhu cầu sử dụng c om vấn đề cấp thiết Năng lượng nhiệt điện nguồn lượng tiềm cho mục đích chuyển hóa lượng, đáp ứng u cầu người Ưu điểm máy phát điện làm việc nguyên lý nhiệt điện (thermoelectric generation) ng thể chỗ: tận dụng nguồn lượng nhiệt phân tán thành lượng điện Máy phát nhiệt điện dựa nguyên tắc chuyển hóa trực tiếp nhiệt thành điện, co nên không cần đến phận chuyển động khí, khơng gây tiếng ồn, hiệu an suất chuyển hóa lượng tốt so với thiết bị phát điện khác th Hiện tượng nhiệt điện phát nghiên cứu Seebeck (1821), cách g khoảng 200 năm, sau phát hiệu ứng Peltier hiệu ứng Thomson du on Những hiệu ứng nhiệt điện ứng dụng từ sớm: cặp nhiệt điện dựa theo hiệu ứng Seebeck, phận làm lạnh theo hiệu ứng Peltier…Tuy nhiên, sử dụng hiệu ứng nhiệt điện cho mục đích phát điện thách thức cho nhà khoa học cu u nghiên cứu công nghệ Trên giới, nước tiên tiến tập trung nguồn lực khoa học công nghệ lớn cho việc nghiên cứu vật liệu tính chất nhiệt điện Nhưng cơng nghệ pin nhiệt điện cịn hiệu suất thấp chuyển hóa khoảng 10% lượng nhiệt chúng nhận loại pin thương mại hoạt động nhiệt độ thấp 250 oC Để khắc phục tình trạng nhà khoa học nghiên cứu nhiều loại vật liệu mới, thừa hưởng từ nghiên cứu trước tổng hợp vật liệu nhiệt điện chọn đề tài: Khảo sát quy trình tổng hợp vật liệu khối ZnO đồng pha tạp Ga-In cho ứng dụng nhiệt điện viii SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG Hình Trái: Tạo điện cực cho chân n, p, đế ceramic Phải: Kẹp linh kiện chuẩn bị nung c om 3.3 Thiết lập hệ đo dòng linh kiện pin nhiệt điện Khi chế tạo linh kiện thành cơng nhóm tiến hành thiết lập hệ đo dịng linh kiện để xem vật liệu mà nhóm chúng tơi tổng hợp có đáp úng ng yêu cầu nhiệt điện Mạch điện đo dòng thiết lập theo sơ đồ du on g th an co đây: Phải: Sơ đồ thực tế cu u Hình Trái: sơ đồ mạch điện Trong mạch bao gồm đồng hồ điện tử lắp dùng để đo điện dịng điện tạo pin Bóng đèn dùng làm tải hệ mạch để tạo điều kiện đo dòng hệ Sau thiết lặp hệ đo dòng cho linh kiện pin nhiệt điện Nhóm bắt đầu thực việc đo dòng, pin cách áp nhiệt vào bên bề mặt pin tạo chênh lệch nhiệt độ mặt Khi có chênh lệch nhiệt độ mặt pin bắt đầu đọc thơng số giá trị dịng hiển thị đồng hồ điện tử theo tăng nhiệt độ mặt nóng với bước nhảy nhiệt độ lần 50oC khảo sát từ 100oC đến 300oC Sau nhiệt độ đạt đến điểm nhiệt độ mong muốn ngừng cấp nguồn SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com 22 https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG nóng để nhiệt độ giảm từ từ đọc giá trị dòng đồng hồ để xem độ ổn định pin trình tăng giảm nhiệt độ Hệ cấp nhiệt nguồn nóng chúng tơi dùng bếp gia nhiệt có tốc độ gia nhiệt vừa phải, giới hạn nhiệt độ đến 370oC, mức độ khảo sát nên định ngừng 300oC Hệ cấp nhiệt nguồn lạnh sử dụng nước đá với nhiệt độ khoảng 0oC để tạo chệnh lệch nhiệt đô cao nhằm thu giá trị dòng tốt cu u du on g th an co ng c om Thiết bị bếp nâng nhiệt sử dụng khảo sát hoạt động linh kiện Hình 10 Bếp gia nhiệt SVTH: LÊ VĂN PHỤ 23 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN th an co ng c om 4.1 Phân tích cấu trúc vật liệu nhiễu xạ tia X du on g Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X tiền chất ban đầu IGZO sau sấy 120oC Qua giản độ nhiễu xạ tia X cho ta thấy đỉnh phổ đặc trưng cao vị trí góc 2 34.4oở vị trí mặt mạng (002), 31.8o vị trí mặt mạng u (100), 36.3o thuộc mặt mạng (101), 47.5o 56.6o thuộc mặt mạng (102) cu (110) cho ta thấy tất đỉnh đặc trưng tương đương với giản đồ nhiễu xạ tia X cấu trúc tinh thể lục giác Wurtzite vật liệu ZnO Điều cho thấy việc pha tạp IGZO chưa làm ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể Wurtzite đặc trưng Bằng phương pháp so sánh đỉnh nhiễu xạ giản đồ nhiễu xạ IGZO ban đầu với nhiễu xạ Ga2O3 In2O3 ta thấy rằng, đỉnh phổ vị trí góc 2 khoảng 30.5o, 35o, 48.7o, 52.6o dường trùng khớp với đỉnh nhiễu xạ Ga2O3 cho thấy với hàm lượng nhỏ xuất mẫu Tiếp tục phân tích đỉnh nhiễu xạ hỗn hợp IGZO thấy có xấu số đỉnh lạ thích hình, đỉnh SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com 24 https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG nhiễu xạ In2O3, tác giả không khẳng định đỉnh nhiễu xạ In2O3 hàm lượng pha tạp In2O3 vào hỗn hợp thấp để thấy đỉnh cu u du on g th an co ng c om nhiễu xạ nên nhóm tác giả khơng chắn điều Hình So sánh giản đồ nhiễu xạ mẫu M1, M2, M3 Qua quan sát giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu IGZO xử lí qua chu trình khác chúng tơi quan sát thấy có xuất đỉnh phổ lạ vị trí 2 khoảng 36 độ Theo nhóm nghiên cứu tìm hiểu công bố việc đồng pha tạp Ga-In chúng tơi có nhận định đỉnh phổ ZnGa2O4[20] Thơng qua chúng tơi có nhận định sau thực trình nung thiêu kết nhiệt oxit ban đầu có xu hướng hịa hợp tốt vào hình thành pha cấu trúc vật liệu Ngoài ra, ta thấy cường độ đỉnh SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com 25 https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG nhiễu xạ đỉnh (002) bị giảm cho thấy nung kết khối nhiệt độ cao oxit có xu hướng kết hợp với giảm định hướng ưu tiên đỉnh nhiễu xạ (002) Từ giá trị từ giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu ta tính kích thước tinh thể vật liệu thông qua công thức Sherrer thông qua độ bán rộng đỉnh nhiễu xạ với bước sóng Cu Kα, λ=0,15406 nm 𝟎,𝟗.𝝀 (4 1) 𝜷.𝐜𝐨𝐬(𝜽) c om 𝑫= Với 𝜷 độ bán rộng đỉnh phổ (FWHM) Độ bán rộng (FWHM) đỉnh phổ thông số quan trọng để đánh giá độ ng tinh cấu trúc vật liệu Từ giản đồ nhiễu xạ cho ta thấy mẫu co M1 có độ tinh thể cao có độ bán rộng nhỏ nên hạt tinh thể phát triển theo hướng mặt mạng ưu tiên theo hướng định dẫn đến kích th cu u du on g Bảng Kích thước hạt an thước hạt lớn SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com 26 https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG 4.2 Phân tích tính chất nhiệt loại vật liệu loại n Qua bước xử lí mẫu loại n trước đưa vào phân tích tính chất nhiệt điện để chuẩn bị cho chế tạo linh kiện Nhóm khảo sát tính chất nhiệt điện vật liệu loại n với c om quy trình tổng hợp khác Qua kết qua phân tích tính chất nhiệt điện vật liệu ta thu co ng số liệu hệ số Seebeck, độ dẫn điện hệ số cơng suất mà vật liệu đạt Từ an kết để chúng tơi th đánh giá chất lượng vật g liệu loại n có đủ yếu tố du on vật liệu nhiệt điện để ứng u dụng vào chế tạo linh kiện cu Các giá trị hệ số Seebeck thể giá trị âm chịu dịng electron khuếch tán từ đầu nóng sang đầu lạnh đến điện áp hình thành Chính bán dẫn loại n bao gồm electron nên có giá trị âm, ngược Hình Kết tính chất nhiệt điện M1, M2, M3 SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com lại loại p dương 27 https://fb.com/tailieudientucntt du on g th an co ng c om GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG Hình 4 Đồ thị biểu diễn độ dẫn điện M1, M2, M3 u Trên sở kết đồ thị biểu diễn giá trị độ dẫn điện mẫu, M3 có độ dẫn cu điện cao 1750 (S/cm) nhiệt độ phịng giảm dần q trình tăng nhiệt xuống 1300 (S/cm) nhiệt độ 490oC M1 có độ dẫn điện nhỏ 202 (S/cm) tăng nhẹ lên 217 (S/cm), độ dẫn điện M2 nhiệt độ phòng 1700 (S/cm) giảm 1200 (S/cm) tăng đến nhiệt độ 490 oC Các giá trị độ dẫn điện M1 tăng liên tục, M2 M3 giảm theo nhiệt độ cho thấy nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến độ dẫn vật liệu SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com 28 https://fb.com/tailieudientucntt an co ng c om GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG th Hình Đồ thị biểu diễn hệ số Seebeck mẫu M1, M2, M3 Giá trị hệ số Seebeck S thay đổi khác với mẫu M1 M2 M3, phù hợp với du on g giá trị dẫn điện: vật liệu dẫn điện tốt có hệ số S thấp Giá trị S mẫu M3 nhỏ có độ dẫn điện cao với giá trị hệ số S ban đầu −22.5µV/K tăng lên giá trị −45µV/K giá trị nhiệt 490oC, giá trị S M1 lớn u có độ dẫn điện thấp nhất, từ khoảng giá trị −60µV/K đến giá trị cu −110µV/K nhiệt độ đỉnh, hệ số Seebeck M2 khoảng giá trị −25µV/K tăng lên giá trị khoảng −45µV/K Trong ba mẫu, giá trị Seebeck M2 nhỏ nhiều so với Seebeck mẫu M1 lớn chút so với mẫu Seebeck M3 Trong toàn phạm vi nhiệt độ, giá trị Seebeck ba mẫu tăng liên tục khơng có dấu hiệu giảm Người ta biết hệ số Seebeck tỷ lệ thuận với khối lượng hiệu dụng tỉ lệ nghịch với nồng độ hạt tải Các biến thể nồng độ electron giá trị hệ số Seebeck mẫu M1 M2 M3 giải thích thơng qua trạng thái biến đổi mật độ lệch pha tinh thể Sự kết hợp thành phần pha tạp gây tán xạ đáng kể hạt tải có mạng ZnO ảnh hưởng đến SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com 29 https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG tính chất điện Ngồi ra, thành phần pha tạp Ga In chiếm vị trí Zn cấu trúc mạng Độ âm điện Ga In gần không Sự khác biệt có nghĩa electron bị dao động tán xạ cấu trúc nguyên tử Tính chất dao động cấu trúc làm giảm tính di động electron, dẫn đến khối lượng hiệu dụng cao [24] Do đó, mẫu M1 có hệ số Seebeck cao du on g th an co ng c om mẫu M2 M3 u Hình Đồ thị biểu diễn hệ số công suất mẫu M1, M2, M3 cu Hệ số công suất (PF), đại diện cho đóng góp điện cho pin nhiệt điện, tính tốn từ kết hình 4.6 Như hình 4.6, PF ba mẫu tăng toàn phạm vi nhiệt độ Độ dẫn điện 490oC 0.217×105, 1.19×105 1.30×105 (S/m) mẫu M1, M2, M3 tương ứng Hệ số Seebeck 490oC −113, −43.9 −43.5 (μV/K)) cho mẫu M1, M2, M3 tương ứng Do đó, giá trị PF nhiệt độ phịng 27.7 × 10−5, 22.9× 10−5 24.6×10−5 (W/mK2) cho mẫu M1, M2, M3, tương ứng Trong số ba mẫu loại n tổng hợp, mẫu M1 cung cấp lượng lớn nhiệt độ cao có gia tăng độ dẫn điện hệ số Seebeck SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com 30 https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG 4.3 Khảo sát hoạt động linh kiện Sau phân tích tìm hiểu loại vật liệu loại n với quy trình tổng hợp khác nhau, nhóm chúng tơi định chọn M3 ( bột nung 1000 oC, ép khối nung 1400oC) kết hợp với vật liệu loại p tiến hành chế tạo linh kiện pin nhiệt điện Linh kiện pin nhiệt điện chế tạo với cặp chân n, p với điện trở linh kiện R=52 Giá trị điện trở linh kiện tổng điện trở chân n,p c om cộng lại cho thấy tiếp xúc tốt chân n,p với bề mặt ceramic Dưới thông số dòng pin nhiệt điện chế tạo từ n(M3)-P sau chế tạo thành công thử nghiệm cu u du on g th an co ng Bảng Bảng số liệu dòng áp nhiệt linh kiện nhiệt điện sử dụng vật liệu loại nM3 kết hợp với loại p Qua bảng số liệu ta thấy từ vật liệu tổng hợp sau lắp ráp thành linh kiện cho dịng Và có nhận định giá trị điện trở ban đầu linh kiện nhỏ hoạt động nhiệt điện linh kiện cho giá trị dòng tương đối lớn tốt Nên để tạo linh kiện có giá trị dịng tốt nhóm tác giả cố gắng nghiên cứu làm giảm giá trị điện trở chân để giúp tổng trở linh kiện giảm nhằm cải thiện công suất pin đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tế SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com 31 https://fb.com/tailieudientucntt an co ng c om GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG th Hình Đồ thị công suất – nhiệt độ g Theo đồ thị biểu diễn công suất theo tăng giảm nhiệt độ ta nhận du on điều Thứ nhất, linh kiện pin nhiệt điện chế tạo có lặp lại với cơng suất q trình tăng giảm nhiệt độ cho thấy ổn định loại u vật liệu nhiệt điện n, p mà chúng tơi tổng hợp Q trình nâng nhiệt cao cu nguồn cấp nhiệt nóng giảm chân linh kiện n,p gốm nên giữ nhiệt Thứ hai, linh kiện tạo có cơng suất tương đối tốt hứa hẹn mở hướng phát triển vật liệu nhiệt điện 4.4 Kết đạt Trong trình thực khóa luận tơi đạt kết quả:  Tổng hợp thành công vật liệu bán dẫn loại n IGZO vật liệu bán dẫn loại p CuCr0,95Mg0,05O2  Lắp ráp thành công linh kiện pin nhiệt điện dựa vật liệu tổng hợp SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com 32 https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG  Thiết lập hệ đo dòng linh kiện có chênh lệch nhiệt độ  Bước đầu đo giá trị dịng, cơng suất linh kiện cao với giá trị điện U= 240 mV, dịng I=1260 µA, cơng suất P= 302 µW 300oC với ∆T= 270oC  Khảo sát tính chất nhiệt điện vật liệu loại n với quy trình tổng hợp khác  c om 4.5 Hướng phát triển tương lai Nhận thấy tiềm vật liệu loại n IGZO có tính chất hiệu ứng nhiệt điện, nên khả ứng dụng vào linh vực phát triển pin Để nâng cao hiệu pin nhiệt điện cần nâng cao giá trị dòng co  ng nhiệt điện đầu ra, thơng qua việc cải thiện tính chất nhiệt điện vật liệu  th an nhiệt điện hệ số Seebeck, độ dẫn điện, nồng độ hạt tải… Cần thiết lặp lại hệ đo dòng thế, cần thêm bề mặt lạnh hệ để tạo du on g tăng chênh lệch nhiệt độ bề mặt pin nhằm thu giá trị cu u dòng tốt SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com 33 https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG Mục lục tài liệu tham khảo [1] Haddad C, Pộrilhon C, Danlos A, Franỗois M-X, 2014 Descombes G Some efficient solutions to recover low and medium waste heat: competitiveness of the thermoacoustic technology Energy Procedia 2014;50:1056–69 [2] Varnhagen S, Same A, Remillard J, Park JW, 2011 A numerical investigation on the efficiency of range extending systems using Advanced Vehicle Simulator J c om Power Sources 2011;196(6):3360–70 [3] Tie SF, Tan CW, 2013 A review of energy sources and energy management ng system in electric vehicles Renew Sustain Energy Rev 2013;20:82–102 co [4] Morini M, Pinelli M, Spina PR, Venturini M, 2013 Optimal allocation of an thermal, electric and cooling loads among generati th on technologies in household applications Appl Energy 2013;112:205–14 du on effect/ g [5] https://sites.suffolk.edu/khalidosman/2015/10/20/the-sterling-engine-the-peltier- [6] Heremans, J.P.; Dresselhaus, M.S.; Bell, L.E.; Morelli, D.T, 2013 When cu u thermoelectrics reached the nanoscale Nat Nanotechnol 2013, 8, 471–473 [7] Hsu, K.F.; Loo, S.; Guo, F.; Chen, W.; Dyck, J.S.; Uher, C.; Hogan, T.; Polychroniadis, E.; Kanatzidis, M.G, 2004 Cubic AgPbmSbTe2+m: Bulk thermoelectric materials with high figure of merit Science 2004, 303, 818–821 [8] Pei, Y.; Shi, X.; LaLonde, A.; Wang, H.; Chen, L.; Snyder, G.J, 2011 Convergence of electronic bands for high performance bulk thermoelectrics Nature 2011, 473, 66–69 [9] Assessment T Thermoelectric Materials, Device and Systems: Technology SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com 34 https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG Assessment [10] https://www.mpoweruk.com/thermoelectricity.htm [11] Tran Nguyen NH, Nguyen TH, Liu Y, et al Thermoelectric Properties of Indium and Gallium Dually Doped ZnO Thin Film ACS Appl Mater Interfaces 2016;8(49):33916-33923 c om [12] In and Ga Codoped ZnO Film as a Front Electrode for Thin Film Silicon Solar Cells [13] Chế tạo khảo sát cấu trúc tinh thể hình thái học màng mỏng ZnO ng pha tạp (Ga In) co [14] Hicks, L.; Dresselhaus, M.S Thermoelectric figure of merit of a one- an dimensional conductor Phys Rev B 1993, 47, 16631 th [15] Hanh TTK Luận văn Thạc Sĩ Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên.2010 du on g [16] Thermoelectric and Transport Properties of Delafossite CuCrO2:Mg Thin Films Prepared by RF Magnetron Sputtering u [17] Facile chemical solution synthesis of p-type delafossite Ag-based transparent cu conducting AgCrO2 films in an open condition [18] Mildred S Dresselhaus et al., 2007 New Directions for Low-Dimensional Thermoelectric Materials, Advanced materials [19] DiSalvo FJ Thermoelectric Cooling and Power Generation Science(80).1999;285(5428):703-706 [20] Yih, S; et al,.2012 Relationships between the crystalline phase of an IGZO target and electrical properties of a-IGZO channel film Ceramics International 38S SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com 35 https://fb.com/tailieudientucntt GVHD: PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG (2012) S595–S599 [21] Trương NH Luận văn Thạc Sĩ Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên.2014 [22] Ohtaki, M.; Araki, K.; Yamamoto, K High Thermoelectric Performance of Dually Doped ZnO Ceramics J Electron Mater 2009, c om 38, 1234−1238 [23] Kong L.B; Waste Energy Harvesting: Mechanical and Thermal Energies [24] Thang PB; et al, 2016 Thermoelectric Properties of Indium and Gallium ng Dually Doped ZnO Thin Films ACS Appl Mater Interfaces 2016, 8, cu u du on g th an co 33916−33923 SVTH: LÊ VĂN PHỤ CuuDuongThanCong.com 36 https://fb.com/tailieudientucntt ... nhiều loại vật liệu mới, thừa hưởng từ nghiên cứu trước tổng hợp vật liệu nhiệt điện chọn đề tài: Khảo sát quy trình tổng hợp vật liệu khối ZnO đồng pha tạp Ga-In cho ứng dụng nhiệt điện viii... Chương 2: Tổng quan tính chất ứng dụng vật liệu sử dụng Trình bày tính chất ứng dụng vật liệu sử dụng cho nghiên cứu u chế tạo linh kiện nhiệt điện Cho thấy vật liệu đáp ứng yêu cầu độ cu dẫn điện, ... CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG c om  ng LÊ VĂN PHỤ an co KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP th KHẢO SÁT QUY TRÌNH TỔNG HỢP VẬT LIỆU du on g KHỐI ZnO ĐỒNG PHA TẠP Ga-In