- Trang Chủ
- Vật lý
- Tính chất nhiệt điện của hệ vật liệu nhiệt điện La1-xTixFeO3
Xem mẫu
- TÍNH CHẤT NHIỆT ĐIỆN
CỦA HỆ VẬT LIỆU NHIỆT ĐIỆN La1-xTixFeO3
Khoa ật lý
Tóm tắt: Gốm perovskite La1-xTixFeO3 (x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5) được
chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Các mẫu đơn pha ở nhiệt độ
thiêu kết 12300C. Các thông số nhiệt điện như hệ số dẫn điện, hệ số Seebeck,
hệ số công suất theo nhiệt độ trong khoảng từ nhiệt độ phòng đến 1200K.
Mẫu thể hiện tính chất nhiệt điện với hệ số Seebeck tương đối lớn khoảng
1000 V/K cỡ 1000 V/K đối với mẫu có nồng độ pha tạp x = 0.2 ở
nhiệt độ trên 10000C.
Từ khóa: tính chất nhiệt điện, vật liệu nhiệt điện, La1-xTixFeO3, gốm
perovskite, phương pháp gốm.
1. MỞ ĐẦU
Hiện nay, vấn đề sử dụng các nguồn năng lượng xanh và sạch đang được các nhà khoa
học trong nước và trên thế giới quan tâm. Việc sử dụng các nguồn năng lượng nhiệt
chuyển hóa thành năng lượng điện với vật liệu nhiệt điện đã được các nhà khoa học
trong nước và trên thế giới quan tâm nghiên cứu nhằm làm sáng tỏ cơ chế vật lý dẫn đến
hiệu ứng nhiệt điện lớn ở nhiệt độ cao và tạo được vật liệu có hệ số nhiệt điện lớn, phẩm
chất cao có thể đưa vào ứng dụng. Vật liệu perovskite nhiệt điện LaFeO3 biến tính cũng
được nghiên cứu nhiều nhưng chỉ dừng lại ở việc khảo sát hệ số Seebeck tại nhiệt độ
phòng. Việc khảo sát các thông số nhiệt điện theo nhiệt độ, đặc biệt ở nhiệt độ cao gặp
nhiều khó khăn do trong nước chưa có hệ đo hoàn chỉnh [1], [2], [3], [4], [5].
2. THỰC NGHIỆM
Hệ mẫu La1-xTixFeO3 (x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5) được chế tạo bằng phương pháp gốm
với các nguyên liệu ban đầu là các oxit và muối cacbonat ở dạng bột với độ sạch 98,5%
- 99.99%. Nguyên liệu bột được trộn theo tỷ lệ thành phần tùy thuộc vào công thức hợp
thức danh định của mẫu cần chế tạo. Hỗn hợp sau khi cân được tiến hành nghiền 4 giờ
trong nước cất. Sau khi được trộn và nghiền, hỗn hợp được sấy khô ở nhiệt độ 80 0C
trong 12 giờ. Sau đó, hỗn hợp bột phối liệu được ép thành viên hình trụ, đường kính
khoảng 1cm và được nung sơ bộ ở nhiệt độ 10000C trong 10 giờ để các cấu tử phản ứng
với nhau tạo nên dung dịch rắn perovskite. Sau khi nung sơ bộ, dùng cối chày mã não
để nghiền khô và ướt các mẫu trong 10 giờ, lúc này hạt bột có kích thước khoảng 5 m.
Bột sau khi nghiền mịn được trộn đều với 2% chất kết dính, thường là dung dịch PVA
15% (bị đốt cháy hoàn toàn ở 4000C) và được ép thành mẫu nghiên cứu dạng tấm hình
hộp chữ nhật rồi được nung thiêu kết ở nhiệt độ 12300C trong 10 giờ với tốc độ gia
nhiệt là 20C/phút.
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên năm học 2015-2016
Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, tháng 12/2015, tr: 22-25
- T NH CHẤT NHIỆT ĐIỆN C A HỆ V T IỆU NHIỆT ĐIỆN a 1-xTixFeO3 23
Phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X với thiết bị nhiễu xạ D5005-
Bruker-Germany. Đường cong từ trễ M(H) tại nhiệt độ phòng trong từ trường đến 1,3
Tesla được đo bởi từ kế mẫu rung VSM LakeShore 7404 ( LakeShore, USA).
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO U N
Hình 1 là giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu La1-xTixFeO3 tại nhiệt độ phòng. Các đỉnh
nhiễu xạ xác định pha chính là CaMnO3 với cấu trúc orthorhombic thuộc nhóm không
gian Pnma. Các mẫu đơn pha, từ
các kết quả đo, hằng số mạng, của 1000
La Ti FeO
các mẫu được tính toán và thể x = 0.2 x = 0.3
x = 0.4 x = 0.5 1-x x 3
hiện ở bảng số liệu 1. 800 x = 0.1
C- êng ®é (®.v.t.y)
Khi pha tạp, thay thế Ti cho a, 600
mạng tinh thể có xu hướng giãn
ra, hằng số mạng tăng khi nồng 400
độ Ti tăng. Giả thiết rằng, khi
thay thế ion Ti4+ (r1 = 0,65Å) có 200
bán kính nhỏ hơn vào vị trí ion
La2+ (r2 = 1,36 Å), thì đồng thời 0
một số ion Fe3+ (r3 = 0,645 Å)
20 40 60 80 100 120
chuyển thành ion Fe2+ (r4 = 0,83 (®é)
Å) có bán kính lớn hơn. Kết quả
là mạng tinh thể bị giãn ra, hằng Hình 1. iản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu La1-xTixFeO3
số mạng tăng lên theo sự tăng
hàm lượng Ti.
Bảng 1. Các thông số cấu trúc tinh thể của hệ mẫu La1−xTixFeO3
x Hợp chất A (Å) B (Å) c (Å) V (Å)3 T
LaFeO3 5,56 5,55 7,85 242,20 0,96
x La1-xTixFeO3
0.1 La0.9Ti0.1FeO3 5,56 5,54 7,86 242,10 0,93
0.2 La0.8Ti0.2FeO3 5,56 5,55 7,86 242,24 0,91
0.3 La0.7Ti0.3FeO3 5,54 5,57 7,87 242,85 0,88
0.4 La0.6Ti0.4FeO3 5,55 5,56 7,88 243,16 0,86
0.5 La0.5Ti0.5FeO3 5,55 5,57 7,88 243,59 0,83
Hình 2 thể hiện sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dẫn điện của các mẫu từ nhiệt độ phòng
đến 1200K, độ dẫn điện của các mẫu đều tăng theo nhiệt độ, tuy nhiên giá trị tương đối
nhỏ, các mẫu thể hiện tính bán dẫn. Vật liệu LaFeO3 lý tưởng, có cấu trúc lập phương,
là chất cách điện. Tuy nhiên, từ hình 2 cho thấy mẫu LaFeO3 chế tạo lại có tính dẫn
- 24 Đ NG V N H A
điện. Điều đó có thể giải thích bằng quá trình nung thiêu kết ở nhiệt độ cao trong môi
trường không khí và được giữ trong thời gian dài (12300C trong 10 giờ) dẫn tới sự thiếu
hụt oxi và tạo ra các lỗ trống oxi trong hợp chất CaMnO3 [29]. Sự thiếu hụt oxi này dẫn
đến quá trình tự doping (self dopping), vì thế mẫu thể hiện tính dẫn điện. Các mẫu có
nồng độ pha tạp cao hơn (x = 0.1 0.7) độ dẫn lại giảm dần. Có thể khi tăng nồng độ
pha tạp Ti, các electron doping di chuyển đến các lỗ trống (sai hỏng mạng do pha tạp
mạnh) trong mẫu làm giảm độ dẫn.
Hệ số Seebeck S của hệ mẫu đo trong vùng nhiệt độ từ 300K đến 1200K được trình bày
hình 3. Hệ số Seebeck tăng theo chiều tăng củ nhiệt độ. Các mẫu x = 0; 0.1; 0.2 có hệ số
La0.7Ti0.3FeO3
La0.5Ti0.5FeO3
20 LaFeO3 La0.4Ti0.6FeO3
1200
La0.7Ti0.3FeO3
La0.9Ti0.1FeO3
1000 La0.8Ti0.2FeO3
La0.8Ti0.2FeO3
x10 Ohm cm
La0.9Ti0.1FeO3
15
-1
La0.7Ti0.3FeO3 800 LaFeO3
La0.6Ti0.4FeO3 600
-1
10 La0.5Ti0.5FeO3 V/K 400
La0.3Ti0.7FeO3
200
-3
5 0
-200
0 -400
-600
400 600 800 1000 1200 200 400 600 800 1000 1200
T(K) T(K)
Hình 2. ồ thị độ dẫn phụ thuộc nhiệt độ Hình 3. ồ thị hệ số Seebeck
phụ thuộc nhiệt độ
Seebeck dương xác định các hạt tải chính là các lỗ trống, mẫu x= 0.3 0.7 có hệ số
Seebeck âm xác định hạt tải chính là các electron, các mẫu được xem là bán dẫn loại n.
Với sự tăng nồng độ chất pha tạp thay thế, hệ số Seebeck (S) có xu hướng dịch chuyển
về phía âm khi nồng độ x ≥ 0.2, S đổi dấu sang giá trị âm, mẫu chuyển sang loại bán dẫn
loại n, hạt tải chính là các electron. Có thể nói rằng, các mẫu La1-xTixFeO3, với x ≤ 0.2
được xem là các pha tạp lỗ trống. Các mẫu với x ≥ 0.2 được xem là các mẫu pha tạp
điện tử với các mẫu này tính nhiệt điện bị giảm và tính từ điện trở tăng lên mạnh. Giá trị
hệ số Seebeck tương đối cao, cỡ 1000 V/K đối với mẫu có nồng độ pha tạp x = 0.2 ở
nhiệt độ trên 10000C.
4. KẾT U N
Hệ mẫu La1-xTixFeO3 được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn, các mẫu đơn
pha. Độ dẫn và hệ số Seebeck được đo từ nhiệt độ phòng đến 1200K, giá trị độ dẫn
tương đối nhỏ nhưng hệ số Seebeck có giá trị cao và tăng dần theo nhiệt độ, điều đặc
biệt là có sự đổi dấu từ dương sang âm của hệ số Seebeck khi tăng nồng độ pha tạp lớn
hơn 0.2. giá trị hệ số Seebeck như trên, hệ vật liệu có khả năng ứng dụng vào thực tế để
chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lượng nhiệt thành điện.
- T NH CHẤT NHIỆT ĐIỆN C A HỆ V T IỆU NHIỆT ĐIỆN a 1-xTixFeO3 25
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyen Thi Thuy, Đang e Minh and Ngo Van Nong (2012). “Thermoelectric properties
of Ca1-xYxMnO3 and Ca0.9Y0.1-yFeyMnO3 perovskite compound”, Tạp chí Khoa học và
Công nghệ - iện Khoa học và Công nghệ iệt nam T. 50 (1B), tr. 335-341.
[2] Ahmed Mohamed Ahmed, Mahrous Rashad Ahmed, Saad Abed El Rahman Ahmed
(2011). “Correlation of Magnetoresistance and Thermoelectric Power in La1-
xLixMnOy Compounds”, J. Electromagnetic Analysis & Applications 3, pp. 27-32 [3]
P.Vavindran, R.Vidya, H.Fjellvag, A.Kjekshus, Electronic Structure and Excited-
state Properties of perovskite-like oxides LaFeO3, LaCrO3, Journal Crystal Growth
268 (2004) 554-559.
[3] Bach Thanh Cong, Toshihide Tsuji, Pham Xuan Thao, Phung Quoc Thanh, Yasuhisa
Yamamura (2004). “High-temperature thermoelectric properties of Ca1-xPrxMnO3-
(0 x
nguon tai.lieu . vn