Tính chất nhiệt điện của hệ vật liệu nhiệt điện La1-xTixFeO3

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 1230 0C. 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tính chất nhiệt điện của hệ vật liệu nhiệt điện La1-xTixFeO3

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