CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Hệ mẫu Cu2Se pha tạp Te
3.1.3. Các tính chất nhiệt điện
Hình 3.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ của (a) độ dẫn điện (σ) và (b) hệ số Seebeck (S) của các mẫu Cu2Se1-xTex (x = 0.1; 0.2; 0.25; 0.3)
Hình 3.3 biểu diễn sự phụ thuộc vào nhiệt độ của giá trị độ dẫn điện và hệ số Seebeck của tất cả các mẫu Cu2Se pha tạp Te, khảo sát trong dải nhiệt độ từ 300 K đến 773 K. Độ dẫn điện giảm dần và hệ số Seebeck tăng
dần khi tăng nhiệt độ thể hiện xu hướng chung của vật liệu nhiệt điện bán dẫn điển hình [45]. Giá trị độ dẫn điện của các mẫu Cu2Se pha tạp Te thể hiện trong Hình 3.3(a) cho thấy σ tăng dần khi tăng nồng độ pha tạp Te và cho giá trị cao nhất ở mẫu Cu2Se0.75Te0.25, sau đó giảm đi khi tăng nồng độ Te lên 0.3. Kết quả cho thấy ảnh hưởng của việc pha tạp Te đến tính dẫn điện của vật liệu. Thơng qua kết quả phân tích XRD và FE-SEM, cấu trúc lớp với
đặc tính liên kết được chứng minh cho tính dẫn điện tốt hình thành rõ ràng
hơn bên trong vật liệu. Đặc biệt, ở mẫu có nồng độ pha tạp Te cao (x = 0.25,
0.3) có sự hình thành cấu trúc dị thể (Cu2Se – Cu2Te) và hình thái xuất hiện các vùng domain với cấu trúc lớp đã cải thiện đáng kểđộ dẫn điện do độ linh
33
đi có thểđược giải thích do sự khuyết thiếu Cu (reduced Cu vacancies) trong mạng khi pha Cu2Te hình thành nhiều hơn.
Hệ số Seebeck theo nhiệt độ của các mẫu Cu2Se1-xTex (x = 0.1; 0.2;
0.25; 0.3) được biểu diễn trong Hình 3.3(b). Giá trị S dương khẳng định tất
cả các mẫu đều là vật liệu bán dẫn loại p với loại hạt tải chủ đạo là các lỗ
trống. Khi tăng dần nhiệt độ khảo sát, hệ số Seebeck của các mẫu Cu2Se pha tạp Te đều cho xu hướng tăng, không thay đổi nhiều khi tăng nồng độ pha tạp và cho giá trị nằm trong khoảng từ 40 µV/K đến 136 µV/K. Kết quả đo
độ dẫn điện và hệ số Seebeck đồng thời cũng quan sát được sựtăng – giảm giá trị bất thường ở mốc nhiệt độ ~400 K do sự chuyển pha nội tại từ trigonal
α-Cu2Se sang cubic β-Cu2Se [80].
Hình 3.4 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của (a) hệ số công suất (PF) và (b) độ dẫn nhiệt tổng cộng (κ) của các mẫu Cu2Se1-xTex (x = 0.1; 0.2; 0.25; 0.3)
Tính tốn giá trị hệ số cơng suất theo công thức S2σ (S là hệ số Seebeck và σlà độ dẫn điện) của tất cả các mẫu Cu2Se pha tạp Te được biểu diễn trên Hình 3.4(a). Có thể thấy, giá trị PF của các mẫu đều có xu hướng tăng dần
khi tăng nhiệt độ khảo sát. Sự cải thiện đáng kể giá trịđộ dẫn điện trong khi hệ số Seebeck vẫn giữ ở mức cao là tiền đề cho hệ số công suất cao. Theo
đó, mẫu Cu2Se với nồng độ pha tạp Te 0.25 cho giá trị hệ số công suất cao nhất với đỉnh PF đạt được 9.84 µWm-1K-2 tại nhiệt độ 773 K.
34 Hình 3.4(b) thể hiện sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt vào nhiệt độ của tất cả các mẫu. Giống như đối với các tính chất điện, những giá trị phi tuyến
tính cũng được quan sát thấy ở xung quanh nhiệt độ 400 K do sự chuyển pha
αβ-Cu2Se. Xu hướng này là kết quả của sự tán xạ electron và phonon tới
hạn xảy ra trong quá trình chuyển pha liên tục Cu2Se theo nhiệt độ [81]. Giá trị độ dẫn nhiệt với pha β-Cu2Se (T > 400 K) giảm dần và nhỏ hơn so với pha α ở vùng nhiệt độ thấp. Nguyên nhân do do cấu trúc β-Cu2Se về cơ bản thuộc loại anti-fluorit với các nguyên tử Se ở các vị trí FCC và các nguyên tử Cu phân bố trên nhiều vị trí trống tetrahedral, trigonal và octahedral; trong
đó các ion Cu+ trong β-Cu2Se bị xáo trộn mạnh trong Se sublattice, dẫn đến giá trị κ thấp [82]. Sau khi tăng nồng độ pha tạp Te, độ dẫn nhiệt của các mẫu tăng dần. Tuy việc hình thành pha tạp chất Cu2Te góp phần cải thiện
đáng kể độ dẫn điện nhưng sẽ kéo theo sự tăng giá trị độ dẫn nhiệt do các thông số nhiệt điện này có mối liên hệ chặt chẽ với nhau và phụ thuộc nhiều vào nồng độ và độ linh động của hạt tải. Độ dẫn nhiệt cho giá trị thấp nhất 0.4 Wm-1K-1 tại nhiệt độ 773 K đối với vật liệu Cu2Se0.9Te0.1. 300 400 500 600 700 800 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 Cu2Se0.9Te0.1 Cu2Se0.8Te0.2 Cu2Se0.75Te0.25 Cu2Se0.7Te0.3 T (K) ZT 300 400 500 600 700 800 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 Cu2Se0.9Te0.1 Cu2Se0.8Te0.2 Cu2Se0.75Te0.25 Cu2Se0.7Te0.3 T (K) ZT
Hình 3.5 Giá trị hệ số phẩm chất nhiệt điện (ZT) của vật liệu Cu2Se pha tạp Te
Hệ số phẩm chất nhiệt điện ZT của tất cả các mẫu Cu2Se1-xTex (x =
0.1; 0.2; 0.25; 0.3) xác định theo công thức được biểu diễn trong Hình 3.5. Giá trị ZT tăng dần khi tăng dần nhiệt độ khảo sát. Với sự cân bằng giữa 3
35 thông số nhiệt điện σ, S và κ, giá trị ZT cao nhất đạt được 1.35 ở nhiệt độ 773 K đối với mẫu Cu2Se0.75Te0.25. Việc hình thành cấu trúc dị thể (Cu2Se – Cu2Te) nâng cao đáng kể hệ số phẩm chất nhiệt điện của hệ vật liệu Cu2Se.