Luận văn Xây dựng phương pháp đo tính chất nhiệt điện của vật liệu ở nhiệt độ cao

Nội dung tài liệu: Luận văn Xây dựng phương pháp đo tính chất nhiệt điện của vật liệu ở nhiệt độ cao

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------***---------- Lê Thị Thu Hƣơng XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP ĐO TÍNH CHẤT NHIỆT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU Ở NHIỆT ĐỘ CAO Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60 44 07 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN TRỌNG TĨNH Hà Nội – 2011
2. Công trình được hoàn thành tại: Trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN TRỌNG TĨNH Phản biện 1: PGS. TS. NGÔ THU HƢƠNG – Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội. Phản biện 2: TS. NGUYỄN THANH BÌNH – Viện Khoa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm thi luận văn thạc sĩ khoa học tại: Đại học Khoa học tự nhiên vào hồi 15 giờ 00, ngày 04 tháng 01 năm 2012. Có thể tìm đọc tại: Trung tâm thông tin thƣ viện Đại học quốc gia Hà Nội.
3. Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC BẢNG .. iii DANH MỤC HÌNH ẢNH ... iv Mở đầu . 1 Chƣơng 1 Tổng quan về hiện tƣợng, tính chất và vật liệu nhiệt điện ... 4 1.1 Hiện tƣợng và hiệu ứng nhiệt điện . 4 1.1.1 Hiệu ứng Seebeck 4 1.1.2 Hiệu ứng Thomson và hiệu ứng Peltier ... 6 1.2 Các tính chất nhiệt điện cơ bản .. 7 1.2.1 Độ dẫn điện . 7 1.2.2 Độ dẫn nhiệt 8 1.2.3 Hệ số Seebeck . 9 1.2.4 Hệ số phẩm chất của vật liệu nhiệt điện .. 11 1.3 Các loại vật liệu nhiệt điện .... 15 1.3.1. Vật liệu nhiệt điện kinh điển 15 1.3.2. Vật liệu perovskite ABO3 . 16 Chƣơng 2 Phƣơng pháp, kĩ thuật nghiên cứu 21 2.1 Phƣơng pháp,kĩ thuật nghiên cứu tính chất nhiệt điện ... 21 2.1.1 Phƣơng pháp đo độ dẫn điện ... 21 2.1.2 Phƣơng pháp đo hệ số Seebeck ... 26 2.1.3 Phƣơng pháp đo thông số công suất 29 2.1.4 Sự liên hệ giữa tính chất nhiệt điện với tán xạ hạt tải . 32 Chƣơng 3 Kết quả và thảo luận .. 33 3.1 Chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu . 33 3.1.1 Chế tạo vật liệu 33 3.1.2 Khảo sát cấu trúc tinh thể 35 Lê Thị Thu Hương - 4 -
4. Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ 3.2 Tính chất nhiệt điện của vật liệu 36 3.2.1 Độ dẫn điện .. 36 3.2.2 Hệ số Seebeck của vật liệu ... 39 Kết luận 42 Tài liệu tham khảo ... 44 Lê Thị Thu Hương - 5 -
5. Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Giá trị I, V ứng với mẫu CaMnO3 tại 413K 25 Bảng 2.2 Giá trị điện trở suất của CaMnO3 trong dải nhiệt độ 293-1212K 25 Bảng 2.3 Giá trị độ dẫn điện của CaMnO3 trong dải nhiệt độ từ 293- 1213K .. 26 Bảng 2.4 Giá trị Seebeck của mẫu CaMnO3 tại 413K . 27 Bảng 2.5 Giá trị Seebeck của CaMnO3 trong dải 293- 1213K 31 Bảng 2.6 Giá trị thông số công suất của CaMnO3 trong dải 293- 1213K 31 Bảng 3.1 Hằng số mạng và thể tích ô mạng cơ sở ... 37 Bảng 3.2 Năng lƣợng kích hoạt Ea của các mẫu Ca1-xYxMnO3 ... 38 Lê Thị Thu Hương - 6 -
6. Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hiệu ứng Seebeck trong kim loại ...... 5 Hình 1.2 Sơ đồ đơn giản của máy làm lạnh nhiệt điện 11 Hình 1.3 Mô hình cho mục đích phát điện ... 14 Hình 1.4 Mô hình cho mục đích làm lạnh 14 Hình 1.5 Cấu trúc của tinh thể perovskite 17 Hình 1.6 Sự phụ thuộc của hệ số phẩm chất, Z của Sr0.9Dy0.1TiO3, Ba0.4Sr0.6PbO3, Ca0.9R0.1MnO3-z (R= Tb, Ho, Y) . 20 Hình 2.1 Sơ đô nguyên lý của phƣơng pháp bốn mũi dò . 22 Hình 2.2 Giá trị T1(t/s) 22 Hình 2.3 Giá trị C0(t/s) 23 Hình 2.4 Đồ thị V(I) của mẫu CaMnO3 tại 413K 24 Hình 2.5 Giá trị điện trở suất của mẫu CaMnO3 trong dải nhiệt độ 293- 1213K 25 Hình 2.6 Giá trị độ dẫn điện của CaMnO3 trong dải nhiệt độ từ 293- 1213K . 26 Hình 2.7 Giá trị Seebeck của CaMnO3 tại 413K . 27 Hình 2.8 Giá trị Seebeck của CaMnO3 trong dải 293- 1213K .. 27 Hình 2.9 Sơ đồ khối của hệ đo . 28 Hình 2.10 Hình ảnh mẫu gắn cực trên giá đỡ và lò đốt con . 29 Hình 2.11 Hình ảnh hệ đo tính chất nhiệt điện ..30 Hình 2.12 Thông số công suất của CaMnO3 trong dải nhiệt độ 293- 1213K 30 Hình 2.13 Sự tán xạ hạt tải trong vật liệu bán dẫn 31 Hình 3.1 Quy trình phƣơng pháp chế tạo 33 Hình 3.2 Giản đồ X-ray của các mẫu Ca1-xYxMnO3 . 34 Hình 3.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất của mẫu Ca1-xYxMnO3 .36 Hình 3.4 Sự phụ thuộc semilog của điện trở vào nhiệt độ của Ca1-xYxMnO3 37 Hình 3.5 Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số Seebeck của Ca1-xYxMnO3 ...39 Hình 3.6 Sự phụ thuộc của thông số công suất vào nhiệt độ của Ca1-xYxMnO3 .. 40 Lê Thị Thu Hương - 7 -
7. Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ MỞ ĐẦU Trong cuộc sống hiện nay, con ngƣời cần đến nhiều nguồn năng lƣợng để phục vụ cho những mục đích khác nhau của mình. Những nguồn năng lƣợng có sẵn trong tự nhiên nhƣ than, khí đốt, dầu đƣợc sử dụng từ rất sớm nhƣng những nguồn năng lƣợng hóa thạch này có hạn, gây ra nhiều vấn đề có hại cho môi trƣờng ảnh hƣởng nghiêm trọng tới cuộc sống nhƣ ô nhiễm nguồn nƣớc, không khí, Tìm kiếm các nguồn năng lƣợng mới, sạch, thân thiện với môi trƣờng, đáp ứng cho nhu cầu sử dụng là vấn đề cấp thiết hiện nay. Năng lƣợng nhiệt điện đang là nguồn năng lƣợng tiềm năng cho mục đích chuyển hóa năng lƣợng, đáp ứng yêu cầu của con ngƣời. Ƣu điểm của các máy phát điện làm việc trên nguyên lý nhiệt điện (thermoelectric generation) thể hiện ở chỗ: tận dụng đƣợc các nguồn năng lƣợng nhiệt phân tán thành năng lƣợng điện; các máy phát điện nhiệt điện có hiệu suất tính theo lý thuyết cao hơn so với các máy phát bằng hơi nƣớc, máy nổ Máy phát nhiệt điện dựa trên nguyên tắc chuyển hóa trực tiếp nhiệt thành điện, nên không cần đến bộ phận chuyển động cơ khí, do vậy không gây ra tiếng ồn, hiệu suất chuyển hóa năng lƣợng tốt hơn so với các thiết bị phát điện khác. Hiện tƣợng nhiệt điện đƣợc phát hiện và nghiên cứu bởi Seebeck (1821), cách đây khoảng 200 năm, sau đó là sự phát hiện ra hiệu ứng Peltier và hiệu ứng Thomson. Những hiệu ứng nhiệt điện đã đƣợc ứng dụng từ rất sớm: cặp nhiệt điện dựa theo hiệu ứng Seebeck, bộ phận làm lạnh theo hiệu ứng Peltier Tuy nhiên, sử dụng hiệu ứng nhiệt điện cho mục đích phát điện vẫn là một thách thức cho các nhà khoa học và nghiên cứu công nghệ. Trên thế giới, các nƣớc tiên tiến tập trung nguồn lực khoa học và công nghệ rất lớn cho việc nghiên cứu vật liệu và tính chất nhiệt điện. Đại lƣợng đặc trƣng cho hiệu suất của vật liệu chuyển hóa năng lƣợng nhiệt thành năng lƣợng điện là hệ số phẩm chất (figure of merit), Z. Vật liệu có khả năng ứng dụng trong thực tế phải có ZT >1 và hoạt động ổn định trong vùng nhiệt độ làm Lê Thị Thu Hương - 8 -
8. Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ việc. Các vật liệu có hệ số phẩm chất đáp ứng yêu cầu thực tế là Bi2Te3 đƣợc dùng làm các phần tử làm lạnh trong những ứng dụng từ rất sớm. Tuy nhiên, vùng làm việc của các vật liệu sử dụng hiệu ứng Peltier là thấp, không đáp ứng yêu cầu cho các thiết bị phát điện. Việc tìm kiếm các vật liệu có ZT lớn, vùng làm việc ở nhiệt độ cao đang là đối tƣợng nghiên cứu của các nhà khoa học và công nghệ hiện nay. Để có đƣợc giá trị ZT cao đòi hỏi vật liệu phải có hệ số Seebeck (α hay S) cao, độ dẫn điện (σ) lớn đồng thời độ dẫn nhiệt (κ) phải nhỏ. Trong thời gian gần đây, ngƣời ta coi hệ vật liệu bán dẫn có cấu trúc perovskite dạng ABO3 biến thể là loại vật liệu tiềm năng, có thể tạo ra các tính chất nhiệt điện vƣợt trội cho mục đích phát điện ở vùng nhiệt độ cao. Việc ứng dụng vật liệu nhiệt điện cho mục đích phát điện thƣờng hoạt động ở vùng nhiệt độ cao. Do vậy, yêu cầu nghiên cứu tính chất nhiệt điện của vật liệu ở vùng nhiệt độ cao là cần thiết. Trong các nghiên cứu tính chất nhiệt điện của vật liệu ở vùng nhiệt độ cao (từ nhiệt độ phòng lên đến 10000C) có những vấn đề khó khăn về mặt kĩ thuật thực hiện. Vì lý do đó, chúng tôi đã đặt mục tiêu xây dựng và thực hiện phƣơng pháp nghiên cứu tính chất nhiệt điện ở vùng nhiệt độ cao, đặc biệt là vật liệu gốm bán dẫn. Nội dung của phƣơng pháp nghiên cứu tính chất nhiệt điện của vật liệu ở vùng nhiệt độ cao bao gồm: đo tính chất cơ bản nhiệt điện (độ dẫn điện, hệ số Seebeck, thông số công suất), nghiên cứu tính chất nhiệt điện theo quan điểm tán xạ hạt tải trong vật liệu. Nội dung của luận văn bao gồm: danh mục bảng và hình ảnh, phần mở đầu, ba chƣơng, kết luận và tài liệu tham khảo. Chƣơng 1: Tổng quan tính chất và vật liệu nhiệt điện Đƣa ra khái niệm về hiện tƣợng nhiệt điện, các hiệu ứng nhiệt điện xảy ra trong vật liệu và tính chất nhiệt điện cơ bản. Giới thiệu những vật liệu nhiệt điện kinh điển đƣợc sử dụng, vật liệu perovskite ABO3 nhiệt điện đƣợc quan tâm và nghiên cứu hiện nay. Chƣơng 2: Phƣơng pháp, kĩ thuật nghiên cứu Lê Thị Thu Hương - 9 -
9. Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ Đƣa ra phƣơng pháp, kĩ thuật đo riêng biệt về độ dẫn điện và hệ số Seebeck của vật liệu. Từ đó, tìm ra phƣơng pháp đo đồng thời hai hệ số này trên cùng một mẫu và trong vùng nhiệt độ cao. Để đánh giá hoạt động của hệ, chúng tôi tiến hành đo trên các mẫu dạng gốm pervoskite CaMnO3 có và không pha tạp. Các kết quả đƣợc so sánh với những công bố trƣớc đây của các tác giả nƣớc ngoài trên hệ vật liệu tƣơng tự. Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận Các mẫu Ca1-xYxMnO3 với x=0, 0.1, 0.3, 0.5 chế tạo bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn đƣợc nghiên cứu cấu trúc tinh thể và thành phần pha bằng nhiễu xạ tia X (XDR). Các tính chất nhiệt điện đƣợc nghiên cứu trên hệ đo đƣợc chúng tôi xây dựng. Đặc trƣng tính chất nhiệt điện của các mẫu nghiên cứu đƣợc lý giải dựa trên quan điểm tán xạ hạt tải trong bán dẫn. Cuối cùng là phần kết luận và tài liệu tham khảo. Lê Thị Thu Hương - 10 -
10. Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƢỢNG, TÍNH CHẤT VÀ VẬT LIỆU NHIỆT ĐIỆN 1.1. Hiện tƣợng và hiệu ứng nhiệt điện Hiên tƣợng nhiệt điện là sự chuyển đổi trực tiếp năng luợng nhiệt thành năng lƣợng điện và ngƣợc lại. Hiện tƣợng này có thể đƣợc sử dụng để tạo ra điện, đo nhiệt độ hay làm thay đổi nhiệt độ của một vật. Có ba hiệu ứng nhiệt điện đƣợc biết đến là: hiệu ứng Seebeck, hiệu ứng Peltier và hiệu ứng Thomson. 1.1.1. Hiệu ứng Seebeck Hiệu ứng Seebeck là sự chuyển hóa chênh lệch nhiệt độ thành điện thế, và đƣợc đặt theo tên nhà vật lý ngƣời Đức, Thomas Seebeck, phát hiện vào năm 1821. Ông phát hiện ra rằng kim la bàn sẽ bị lệch hƣớng khi đặt cạnh một mạch kín đƣợc tạo bởi hai kim loại nối với nhau, có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn. Điều này là do các kim loại phản ứng khác nhau với sự chênh lệch nhiệt độ, tạo ra dòng điện và một điện trƣờng. Tuy nhiên, ông không nhận ra sự có mặt của dòng điện. Điều khiếm khuyết này đƣợc nhà vật lý ngƣời Đan Mạch Hans Christian Orsted chỉ ra và đặt ra khái niệm “nhiệt điện”. Điện thế tạo ra bởi hiệu ứng này cỡ µV/K. Ví dụ cặp đồng- constant có hệ số Seebeck bằng 41µV/K ở nhiệt độ phòng. Điện thế V tạo ra có thể tính theo công thức: T2 V( SBA ( T ) S ( T )) dT (1.1) T1 Trong đó: SA, SB là hệ số Seebeck của kim loại A, B và là một hàm của nhiệt độ; T1, T2 là nhiệt độ của hai mối hàn. Hệ số Seebeck không phải là một hàm tuyến tính theo nhiệt độ, nó phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối của vật dẫn, vật liệu. Nếu hệ Lê Thị Thu Hương - 11 -