Luận văn Cấu trúc tinh thể và ảnh hưởng của áp suất lên tính chất điện trong hợp chất thiếu Lantan La₁₋δ(Fe, Si)₁₃

Nội dung tài liệu: Luận văn Cấu trúc tinh thể và ảnh hưởng của áp suất lên tính chất điện trong hợp chất thiếu Lantan La₁₋δ(Fe, Si)₁₃

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Thị Trang CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TRONG HỢP CHẤT THIẾU LANTAN La1  (Fe, Si)13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Thị Trang CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TRONG HỢP CHẤT THIẾU LANTAN La1  (Fe, Si)13 Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. ĐỖ THỊ KIM ANH Hà Nội - 2015
3. Lời cảm ơn Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất tới cô giáo, PGS.TS. Đỗ Thị Kim Anh, người đã tạo mọi điều kiện, động viên và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ trong Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp. Chính các thầy cô đã xây dựng cho em những kiến thức nền tảng và chuyên môn để em có thể hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn bên em, cổ vũ và động viên em những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt luận văn này. Luận văn có sự hỗ trợ của đề tài QG.14. 16. Hà Nội, ngày .. tháng .. năm 2015 Học viên Trần Thị Trang
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỢP CHẤT La(Fe1 xM x )13 ......................... 3 1.1. Cấu trúc tinh thể của hợp chất La(Fe1-xMx)13 .................................................... 3 1.2. Tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp chất La(Fe1-xMx)13 ........................... 4 1.3. Tính chất nhiệt điện của hợp chất La(Fe1-xMx)13 .............................................. 6 CHƯƠNG 2 – MỘT SỐ LÝ THUYẾT VỀ NHIỆT ĐIỆN ................................. 7 2.1. Hiệu ứng Seebeck ............................................................................................ 7 2.2. Hiệu ứng Peltier .............................................................................................. 9 2.3. Hiệu ứng Thomson .......................................................................................... 9 2.4. Các thông số nhiệt điện ................................................................................. 10 2.4.1. Độ dẫn điện (σ) .................................................................................... 10 2.4.2. Hệ số dẫn nhiệt (κ) ............................................................................... 11 2.4.3. Hệ số Seebeck (S) ................................................................................ 12 2.4.4. Hệ số phẩm chất (ZT) .......................................................................... 12 CHƯƠNG 3 – PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .......................................... 14 3.1. Một số phương pháp chế tạo mẫu. ................................................................. 14 3.1.1. Phương pháp nóng chảy hồ quang ....................................................... 14 3.1.2. Phương pháp nguội nhanh. .................................................................. 17 3.2. Các phương pháp nghiên cứu. ........................................................................ 19 3.2.1. Nhiễu xạ bột tia X. ............................................................................... 19 3.2.2. Phép đo điện trở suất theo áp suất ........................................................ 21 3.2.3. Từ kế SQUID. ..................................................................................... 24 3.2.4. Hệ đo PPMS ........................................................................................ 26
5. CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................... 29 4.1. Cấu trúc tinh thể của hợp chất La1-(Fe, Si)13. ................................................ 29 4.2. Tính chất từ của hệ hợp chất thiếu lantan La1  (Fe0,845Si0,155 )13 ...................... 33 4.3. Tính chất nhiệt điện của hợp chất thiếu Lantan La0,91(Fe0,845Si0,155)13 ............. 35 4.3.1. Các thông số nhiệt điện:....................................................................... 35 4.3.2. Ảnh hưởng của áp suất lên điện trở suất trong hợp chất thiếu Lantan La0,91(Fe0,845Si0,155)13. ..................................................................................... 39 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 46
6. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Vị trí các nguyên tử trong cấu trúc loại NaZn13 của hợp chất LaCo13 ......... 4 Bảng 2. Giá trị các hằng số mạng của hợp chất La1  (Fe0,845Si0,155 )13 ................... 30 Bảng 3. Nhiệt độ chuyển pha Curiecủa hợp chất La1  (Fe0,845Si0,155 )13 ................. 34 Bảng 4. Các giá trị áp suất thủy tĩnh P, áp suất ở nhiệt độ phòng, áp suất ở nhiệt độ chuyển pha TC, điện trở suất ở 100 K và điện trở suất ở nhiệt độ phòng. ............... 40
7. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc lập phương NaZn13 – hợp chất LaCo13[19] ................................ 3 Hình 2.1. Sơ đồ cặp nhiệt điện. ............................................................................... 7 Hình 2.2. Mô hình hiệu ứng Thomson. ................................................................... 9 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ nấu mẫu bằng phương pháp nóng chảy hồ quang tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp. .......................................................................... 14 Hình 3.2. Minh họa vùng hồ quang. ...................................................................... 15 Hình 3.3. Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục. ............................ 17 Hình 3.4. a) Thiết bị phun băng nguội nhanh ........................................................ 18 b) Bên trong buồng tạo băng.....................................................................18 Hình 3.5. Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của phương pháp nhiễu xạ tia X ........ 19 Hình 3.6. Sơ đồ phép đo điện trở suất bằng phương pháp bốn mũi dò. .................. 21 Hình 3.7. Sơ đồ mặt cắt ngang của thiết bị đo điện trở suất ở áp suất cao. ............ 22 Hình 3.8. Sơ đồ chi tiết hệ đo điện trở bằng phương pháp bốn mũi dò. ................. 23 Hình 3.9. a) Sơ đồ buồng mẫu thiết bị đo hệ số cảm từ SQUID. ........................... 24 b) Cuộn dây đo độ cảm xoay chiều...........................................................24 c) Sơ đồ buồng đo của từ kế SQUID.........................................................24 Hình 3.10. Thiết bị PPMS Evervool II .................................................................. 26 Hình 4.1. Giản đồ nhiễu xạ bột tia X của hợp chất thiếu Lantan La1  (Fe0,845Si0,155 )13 với  = 0,03;0,06; 0,09 tại nhiệt độ phòng. ................ 29 Hình 4.2. Sự phụ thuộc của hằng số mạng vào góc phản xạ  theo hàm x = cos2/ sin + 2 cos /  trong hệ hợp chất thiếu Lantan La1  ( Fe0,845Si0,155 )13 với  = 0,03;0,06 và 0,09. 31 Hình 4.3. Sự phụ thuộc của hằng số mạng vào hàm lượng thiếu La trong hợp chất La1  ( Fe0,845Si0,155 )13 . ..................................................................................... 32 Hình 4.4. Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ của hợp chất thiếu Lantan La1  ( Fe0,845Si0,155 )13 trong từ trường H = 1kOe. ................................................... 33
8. Hình 4.5. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở suấttrong hợp chất thiếu Lantan La0,91(Fe0,845Si0,155)13. (a) Phép đo trên hệ PPMS và (b) Phép đo trên hệ bốn mũi dò thông thường. .................................................................................................. 36 Hình 4.6. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ số dẫn nhiệt trong hợp chất thiếu Lantan La0,91(Fe0,845Si0,155)13. ............................................................................................ 37 Hình 4.7. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ số Seebeck (a) và hệ số phẩm chất ZT(b) trong hợp chất thiếu Lantan La0,91(Fe0,845Si0,155)13 ....................................... 38 Hình 4.8. Đồ thị điện trở suất phụ thuộc vào nhiệt độ của hợp chất thiếu Lantan .. 41 Hình 4.9. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở suất trong hợp chất thiếu Lantan La0,91(Fe0,845Si0,155)13 ở một vài áp suất khác nhau. ................................................ 41 Hình 4. 10. Sự phụ thuộc vào áp suất của điện trở suất trong hợp chất thiếu Lantan La0,91(Fe0,845Si0,155)13 tại nhiệt độ phòng. ............................................................... 43 Hình 4.11. Sự phụ thuộc vào áp suất của nhiệt độ chuyển pha Curie trong hợp chất thiếu Lantan La0,91(Fe0,845Si0,155)13......................................................................... 44 Hình 4.12. Đồ thị sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha Tc vào áp suất của hợp chất thiếu Lantan La0,91(Fe0,845Si0,155)13 và hệ vật liệu La(Fe1-xSix)13 do nhóm Fujita và cộng sự nghiên cứu [6]. ........................................................................................ 45
9. MỞ ĐẦU Một vấn đề nóng bỏng, gây bức xúc trong dư luận xã hội cả nước hiện nay là tình trạng ô nhiễm môi trường sinh thái do các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người gây ra. Vấn đề này ngày càng trầm trọng, đe doạ trực tiếp sự phát triển kinh tế - xã hội bền vững, sự tồn tại, phát triển của các thế hệ hiện tại và tương lai. Vì vậy tìm kiếm các nguồn năng lượng mới và các loại vật liệu mới sạch, thân thiện với môi trường, đồng thời cải thiện sử dụng hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng, đáp ứng cho nhu cầu sử dụng là vấn đề cấp thiết hiện nay. Một trong các nguồn khí thải gây ô nhiễm môi trường là khí thải từ các thiết bị làm lạnh như tủ lạnh, máy điều hòa nhiệt độ. Các thiết bị này làm lạnh dựa trên nguyên lý nén – giãn khí truyền thống, khi hoạt động chúng thải ra các khí thải gây những tác hại xấu đến bầu khí quyển, và là một trong những nguyên nhân làm nhiệt độ trái đất nóng lên gây lên hiệu ứng nhà kính, ảnh hưởng xấu đến đời sống con người. Hơn nữa hiệu suất lớn nhất của các thiết bị làm lạnh này cũng chỉ đạt khoảng 40%. Vì vậy một vấn đề đặt ra cho các nhà khoa học là cần cải tiến công nghệ làm lạnh. Một trong các công nghệ làm lạnh thực sự được quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ trong thời gian gần đây là công nghệ làm lạnh bằng từ trường nhờ ứng dụng hiệu ứng từ nhiệt của các hệ vật liệu từ. Công nghệ này thực sự là một ứng cử viên sáng giá cho việc cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và bảo vệ môi trường, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của con người về một cuộc sống “xanh” và hiện đại. Cho đến nay, hầu hết các thiết bị làm lạnh bằng từ trường ở vùng nhiệt độ phòng đã được thử nghiệm chế tạo đều sử dụng các hợp kim từ nhiệt chứa Gd và các hợp chất perovskite La1-xCaxMnO3 và La1-xSrxCoO3 [23] do chúng có hiệu ứng từ nhiệt lớn. Gần đây, hệ hợp chất La(Fe1-xMx)13 cũng được cho là những vật liệu đầy tiềm năng ứng dụng trong kỹ thuật làm lạnh từ bởi giá thành thấp. Tuy nhiên, để chất làm lạnh từ tính đạt được năng suất làm việc cao thì các vật liệu từ tính không chỉ có hiệu ứng từ nhiệt lớn mà còn phải có tính chất truyền nhiệt vượt trội. Gần đây, hệ hợp chất La(FexSi1-x)13 được cho là có từ tính rất lớn 1
10. bởi quy trình vận chuyển siêu từ hạt electron lưu động trong một phạm vi nhiệt độ rộng bao phủ cả nhiệt độ phòng. Tính dẫn nhiệt và tính khuếch tán nhiệt của vật liệu La(Fe0,88Si10,12) và một số vật liệu như Gd, Gd5Si2Ge2 và MnAs cũng đã bước đầu được nghiên cứu, cho thấy tính dẫn nhiệt ở vùng nhiệt độ phòng của La(Fe0,88 Si0,12)13 lớn hơn so với Gd5Si2Ge2 và MnAs, và khá đồng nhất với Gd. Hơn nữa, tính khuếch tán nhiệt ở nhiệt độ phòng của La(Fe0,88Si0,12)13 lớn hơn so với Gd, Gd5Si2Ge2 và cũng lớn hơn cả MnAs. Như vậy, hợp chất họ La(FexSi1-x)13 có thể trở thành chất làm lạnh từ tính nhìn từ khía cạnh lưu chuyển nhiệt [21]. Hơn thế nữa, hợp chất La(FexSi1-x)13 thành phần chủ yếu của vật liệu là sắt và silic lại là những vật liệu thông dụng giá rẻ hơn rất nhiều. Như vậy, các hợp chất La(Fe1-xMx)13 với thành phần chủ yếu là sắt và silic sẽ có ý nghĩa kinh tế đối với các thiết bị làm lạnh từ. Tuy nhiên, kim loại đất hiếm La là kim loại có giá thành cao và ngày càng khan hiếm nên việc nghiên cứu để giảm hàm lượng La trong hợp chất xuống để đạt được hiệu quả kinh tế và ứng dụng trong thực tiễn là rất quan trọng. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã chọn đề tài nghiên cứu của luận văn là: “Cấu trúc tinh thể và ảnh hưởng của áp suất lên tính chất điện trong hợp chất thiếu lantan La1  ( Fe,Si )13 ”. Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu chế tạo các mẫu hợp chất thiếu lantan La1- (Fe,Si)13 và thực hiện các phép đo để nghiên cứu tính cấu trúc và tính chất nhiệt điện của các hợp chất thiếu lantan trong họ vật liệu La(Fe1-xSix)13 nói chung và tính truyền nhiệt nói riêng. Luận văn bao gồm các phần sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về hợp chất La(Fe1-xSix)13 Chương 2: Một số lý thuyết về nhiệt điện Chương 3: Phương pháp thực nghiệm Chương 4: Kết quả và thảo luận Kết luận 2