1.5 Các loại vật liệu nhiệt điện
1.5.2 Vật liệu Bi2Te3
Kể từ khi được phát hiện cách đây gần 60 năm, trong một thí nghiệm làm giảm nhiệt độ, Peltier sử dụng một cặp nhiệt điện kết hợp giữa bismuth và telluride (Bi2Te3). Hợp chất Bi2Te3 đã được phát hiện là có tiềm năng trong việc chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng và ngược lại. Hợp chất này đã được sử dụng rộng rãi trong các việc xây dựng các modun nhiệt điện. Việc xây dựng các modun nhiệt điện đã được cải thiện về hiệu suất đều đặn cho đến nay. Từ những khám phá ban đầu do một số yếu tố về nhiệt độ, mà ngày nay chúng thường xuất hiện ở dạng khơng thứ ngun của nó, tương ứng với hệ số phẩm chất ZT. Hệ số phẩm chất đã tăng từ 0,5 đến những giá trị lớn hơn (~1,5).
độ hạt tải mang điện tích, bằng cách pha trộn với hợp chất để cải thiện tính đẫn điện, nhiệt. Trong trường hợp chỉ có một loại hạt mang điện là điện tử hoặc lỗ trống, khi nhiệt độ giảm thì độ dẫn tăng. Các hệ số Seebeck và độ dẫn điện được kết hợp qua biểu thức 2 , được gọi là hệ số công suất. Đối với vật liệu nhiệt điện, việc làm tăng hệ số công suất càng lớn càng tốt. Hầu hết các cải tiến đầu tiên là làm giảm các thành phần mạng của độ đẫn nhiệt L. Điều này đạt được thông qua việc kết hợp bismuth telluride với các hợp chất của telluride antimony và selenua bismuth. Việc tăng cường sự tán xạ phonon trong các vật liệu dạng rắn thường không kèm theo sự suy giảm sự di chuyển của các hạt mang điện.
Trong những năm gần đây, việc giảm độ dẫn điện mạng tinh thể đã thu được bằng việc áp dụng các cấu trúc nano. Hệ số công suất đã được cải thiện thông qua các hiệu ứng lượng tử, bắt nguồn từ phonon tán xạ trên ranh giới của hạt có kích thước nano. Nói cách khác, cấu trúc nano có ảnh hưởng đến độ dẫn điện của mạng tinh thể hơn là việc thay đổi thành phần pha tạp. Hệ số phẩm chất thu được trong vật liệu có kích thước nano cũng tương tự như sử dụng hiệu ứng Seebeck, hay hiệu ứng Peltier. Như vậy, trong một chừng mực nào đó, hợp kim bismuth telluride là những vật liệu tốt ở nhiệt độ phịng. Nó cũng là vật liệu chuyển đổi nhiệt thành điện tốt, ít nhất là gần với nhiệt độ này.
Bismuth Tellurium (Bi2Te3) là một loại bột màu xám, đây là một hợp chất bismuth và tellurium (cịn được gọi là bismuth (III) telluride). Nó là một chất bán dẫn, khi tạo thành hợp kim với antimon (Sb) hoặc selenium (Se) trở thành một vật liệu làm lạnh cho hệ nhiệt điện. Bi2Te3 cũng được biết đến như một chất cách điện topo, và thể hiện nhiều tính chất vật lý phụ thuộc vào độ dày.
Bismuth tellurium có nhóm khơng gian là R – 3m, trục lục giác (cấu trúc rhombohedrat). Các mơ hình lục giác vạch ra cấu trức phân lớp của vật liệu, và tế bào đơn vị có các hằng số mạng tinh thể
o a 4 38, Avà
o
c30 36, Atại 77K . Các hệ
số giãn nở nhiệt tương ứng là 14,4 x 10-6 K-1 và 21,3 x 10-6 K-1. Bi2Te3 có mật độ khối lượng 7,86g.cm3 và nhiệt độ nóng chảy là 858K.
Hình 1.10. Hình dạng và cấu trúc của tinh thể Bi2Te3 (Bi - đỏ; Te – vàng).
Bismuth tellurium là một vật liệu hấp dẫn cho các ứng dụng nhiệt điện, chất cách nhiệt và cách điện topo. Hiệu quả của nó được dự kiến sẽ được cải thiện đáng kể khi các vật liệu có cấu trúc nano. Tuy nhiên, khi ở kích thước nano nó rất khó để đạt được chất lượng tốt, hình thái học bề mặt khơng đạt như mong muốn. Trên thế giới, các nhà khoa học đã áp dụng các phương pháp khác nhau để tạo ra màng Bi2Te3 có kích nano và đã có được những bước tiến đáng kể khi hệ số chất lượng (ZT) ngày càng tăng.
Vật liệu Bi2Te3 được chế tạo và ứng dụng theo các phương pháp khác nhau bởi các nhóm nghiên cứu trên thế giới như:
Phương pháp OFF – ON: Là phương chế tạo dây nano Bi2Te3. Sau khi được phún xạ các dây nano được tổng hợp theo phương pháp OFF – ON.
Hình 1.11. Sơ đồ biểu diễn phương pháp tổng hợp dây nano Bi2Te3.
Phương pháp Gradient-Freeze: Từ vật liệu Bi, Te ban đầu, hỗn hợp Bi, Te
theo thành phần hợp thức được cho vào ống thạch anh hàn kín hai đầu với áp suất 1 x 10-5 Torr. Hỗn hợp được nung nóng chảy ở 610oC trong 12 giờ và làm lạnh đến nhiệt nhiệt độ phịng. Q trình được lặp lại 3 lần và có sự đảo đầu ống để tạo ra sự đồng nhất trong quá trình nung vật liệu. Cuối cùng đơn tinh thể được nuôi với tốc độ 1,25 mm/giờ và với gradient nhiệt độ là 40 K/cm.
Tại Việt Nam, đến thời điểm hiện tại các nhóm nghiên cứu vẫn đang dừng lại ở việc chế tạo vật liệu Bi2Te3 dạng khối [2]. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ
sử dụng phương pháp lắng đọng điện hóa (Electrodeposition) để chế tạo màng
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM