zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Luận Văn - Báo Cáo

» Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học

Tóm tắt luận văn Thạc sĩ Khoa học: Xây dựng phương pháp đo tính chất nhiệt điện của vật liệu ở nhiệt độ cao

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:50

Báo xấu

15
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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, tác giả đã đặt mục tiêu xây dựng và thực hiện phương pháp nghiên cứu tính chất nhiệt điện ở vùng nhiệt độ cao, đặc biệt là vật liệu gốm bán dẫn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận văn Thạc sĩ Khoa học: Xây dựng phương pháp đo tính chất nhiệt điện của vật liệu ở nhiệt độ cao

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
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.
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-
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-
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-
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 Sr 0.9Dy0.1TiO3, 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 Ca 1-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-
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-
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-
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 -
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 ( S B (T ) S A (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 -
Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ số Seebeck không thay đổi trong dải nhiệt độ đo, công thức (1.1) có thể viết lại gần đúng nhƣ sau: V ( SB S A ) (T2 T1 ) (1.2) Hiệu ứng Seebeck đƣợc sử dụng trong cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ. Cặp nhiệt điện mắc nối tiếp tạo thành pin nhiệt điện do điện thế của từng cặp nhiệt điện là rất nhỏ. 1.1.2. Hiệu ứng Peltier Hiệu ứng Peltier là nhiệt tỏa ra hoặc thu vào ở mối nối giữa hai vật khác nhau khi có dòng điện chạy qua, và đƣợc đặt theo tên của nhà vật lý ngƣời Pháp, Jean Charles Peltier, ngƣời đã phát hiện ra hiện tƣợng này vào năm 1834. Khi có một dòng điện đi qua mối nối giữa hai kim loại A và B, sẽ có nhiệt tỏa ra hoặc thu vào ở mối nối. Nhiệt lƣợng Peltier Q tỏa ra bởi chỗ nhiệt độ T1 trong một đơn vị thời gian là: Q I ( )I (1.3) AB B A Trong đó, là hệ số Peltier của cặp kết hợp giữa A và B; , là hệ số Peltier AB A B của vật A và B. Các phần tử nhiệt điện ứng dụng hiệu ứng này làm bộ phận làm mát cho các thiết bị chuyên dụng và dân dụng. 1.1.3. Hiệu ứng Thomsom Hiệu ứng Thomson đƣợc phát hiện ra bởi Lord Kelvin vào năm 1851. Nếu trong một vật dẫn đồng nhất có gradient nhiệt độ, khi có dòng điện chạy qua vật dẫn sẽ có nhiệt lƣợng nhiều hơn hay ít hơn so với nhiệt lƣợng tỏa ra theo định luật Joule – Lenxor. Lê Thị Thu Hương - 12 -
Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ Nếu có dòng điện J đi qua vật dẫn đồng nhất có tính đến hiệu ứng Thomson, nhiệt lƣợng Q tỏa ra trên một đơn vị thể tích là: dT Q J2 J (1.4) dx Trong đó: ρ là điện trở suất của vật dẫn, dT/dx là sự biến thiên nhiệt độ dọc theo vật dẫn và μ là hệ số Thomson. Số hạng đầu tiên trong biểu thức (1.4) là nhiệt lƣợng Joule. Số hạng thứ hai của (1.4) là nhiệt lƣợng Thomson, phụ thuộc vào chiều của dòng điện J. Hệ số Thomson đƣợc xác định nhƣ sau: Q lim (1.5) T 0 I T * Mối liên hệ giữa các hệ số nhiệt điện Năm 1854, Lord Kelvin đã tìm ra mối liên hệ giữa ba hệ số này. Biểu thức Thomson thứ nhất nhƣ sau: dS T dT (1.6) Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối, μ là hệ số Thomson, S là hệ số Seebeck. Biểu thức Thomson thứ hai có dạng sau: S.T (1.7) 1.2. Các tính chất nhiệt điện cơ bản 1.2.1. Độ dẫn điện (σ) Sự dẫn điện có thể mô tả bằng định luật Ohm, rằng dòng điện tỷ lệ với điện trƣờng tƣơng ứng, và tham số tỷ lệ chính là độ dẫn điện. Je .E (1.8) Với Je là mật độ dòng điện, E là cƣờng độ điện trƣờng và σ là độ dẫn điện. Độ dẫn điện là nghịch đảo của điện trở suất, ρ: 1 (1.9) Lê Thị Thu Hương - 13 -
Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ Trong hệ SI, σ có đơn vị chuẩn là S/m (Siemens trên mét), ngoài ra các đơn vị biến đổi khác nhƣ S/cm, 1/ Ωm. Đối với vật liệu có tính chất nhiệt điện, độ dẫn điện sẽ có những đặc tính khác so với các vật liệu dẫn điện kim loại hay bán dẫn thông thƣờng. 1.2.2. Hệ số dẫn nhiệt (κ) Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt giữa các phần tử lân cận trong một chất do sự chênh lệch nhiệt độ. Dẫn nhiệt diễn ra trong tất cả các dạng vật chất nhƣ rắn, lỏng, khí và plasma. Mối quan hệ giữa vector dòng nhiệt J Q với vector gradient nhiệt độ, có biểu thức nhƣ sau: JQ T (1.10) Dạng vô hƣớng là : JQ T (1.11) Dấu (-) thể hiện hai vector ngƣợc chiều nhau. Khi biết trƣờng nhiệt độ T(x, y, z, τ) có thể tính đƣợc công suất nhiệt Q (W) dẫn qua mặt S (m2) trong thời gian τ (s) nhƣ sau: Q TdS (1.12) S Và lƣợng nhiệt Qτ dẫn qua mặt S sau khoảng thời gian τ (s) tính theo công thức Q TdSd (1.13) 0 S Hệ số dẫn nhiệt κ là hệ số , có biểu thức tính nhƣ sau: JQ [W/mK] (1.14) T Trong đó, JQ là dòng nhiệt ở trạng thái cân bằng. Hệ số dẫn nhiệt của một vật dẫn rắn bao gồm: dẫn nhiệt do điện tử và dẫn nhiệt do mạng tinh thể, có dạng: κ = κe + κlatt, với κe, κlatt tƣơng ứng là độ dẫn nhiệt của điện tử và độ dẫn nhiệt của mạng tinh thể. Trong các vật liệu dẫn điện theo cơ Lê Thị Thu Hương - 14 -
Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ chế điện tử thì khi tăng độ dẫn điện sẽ làm tăng độ dẫn nhiệt của điện tử, do đó hệ số phẩm chất Z sẽ không tăng lên đƣợc. Để làm giảm độ dẫn nhiệt của mạng tinh thể, ngƣời ta thƣờng tạo ra vật liệu có cấu trúc giam giữ phonon (phonon blocking). Các vật liệu loại này thƣờng có dạng lớp (layer) hoặc dạng siêu cấu trúc (superlattice). 1.2.3. Hệ số Seebeck (S) Thế nhiệt điện động xuất hiện trong hiệu ứng nhiệt điện có thể biểu diễn thông qua biểu thức (1.15) dƣới đây. S(T1 T2 ) (1.15) 2 hay S( )d (1.16) 1 dVT Với S( ) là thế nhiệt điện động riêng hay còn đƣợc gọi là hệ số Seebeck. Hệ dT số Seebeck, kí hiệu là S hoặc α của một vật liệu đo độ lớn của điện thế tạo ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ, có đơn vị là V/K. Trong nhiều trƣờng hợp hay dùng đơn vị μV/K. Sự thay đổi thế nhiệt động ΔV tƣơng ứng với sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ ΔT đƣợc gọi là hệ số Seebeck vi sai V S (1.17) T Độ lớn của S phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và nhiệt độ chênh lệch giữa hai đầu vật liệu, tức là ứng với các vật liệu khác nhau các giá trị của thế nhiệt điện động (S) sẽ khác nhau. Thế nhiệt điện động đƣợc lý giải định tính nhƣ sau [4]: Một là, sự xuất hiện của dòng hạt tải có hƣớng trong lòng vật liệu khi có sự chênh lệch gradient nhiệt độ. Dòng hạt tải dịch chuyển từ đầu nóng có năng lƣợng lớn hơn tới đầu lạnh hình thành nên thế nhiệt điện động thể tích. Hệ số Seebeck tƣơng ứng với loại thế nhiệt điện động này là SV. Hai là do sự thay đổi vị trí mức Fermi theo nhiệt độ. Theo chiều tăng của nhiệt độ, có sự giảm mức Fermi. Ở đầu lạnh mức Fermi cao hơn ở đầu nóng, Lê Thị Thu Hương - 15 -
Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ dẫn tới nồng độ điện tử linh động ở đây lớn hơn ở đầu lạnh. Thế nhiệt động hình thành từ nguyên nhân này là thế nhiệt động tiếp xúc, hệ số Seebeck đƣợc kí hiệu là Sk. Nguyên nhân thứ ba: sự kích thích hạt tải điện bởi các phonon nhiệt. Khi tồn tại gradient nhiệt độ hiện tƣợng trôi các phonon nhiệt từ đầu nóng sang đầu lạnh xuất hiện. Xác suất tán xạ của các điện tử trên các phonon tăng, cuốn theo sự dịch chuyển của các hạt tải điện với vận tốc bằng vận tốc dịch chuyển của các phonon. Hệ số Seebeck của hệ ở nhiệt độ thấp do tác dụng của phonon nhiệt SP hàng chục, cho tới hàng trăm lần lớn hơn Sv và Sk. Hệ số Seebeck tổng cộng đƣợc xác định qua biểu thức: S = SV + Sk + SP (1.18) 1.2.4. Hệ số phẩm chất của vật liệu nhiệt điện Nguồn phát nhiệt điện có thể chuyển hóa năng lƣợng nhiệt thành năng lƣợng điện, và bởi vậy đòi hỏi nguồn phải có hiệu suất chuyển đổi cao nhất có thể thực hiện đƣợc. Để thấy điều này có liên hệ thế nào với các thông số vật liệu, thử xem xét sự làm lạnh nhiệt điện đơn giản nhƣ minh họa trong hình 1.1 dƣới đây. Nguồn nhiệt T2 L, A (2) n p Dòng nhiệt Q Dòng điện I V Nguồn nhiệt T1 Hình 1.1: Sơ đồ đơn giản của máy làm lạnh nhiệt điện Thiết bị gồm bán dẫn loại n và bán dẫn loại p, nhƣng thƣờng hai vật liệu bất kỳ với hệ số Seebeck khác nhau là đƣợc. Hai nhánh đƣợc nối với một phần làm lạnh Lê Thị Thu Hương - 16 -
Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ bằng kim loại ở nguồn nhiệt. Dòng nhiệt Qn và Qp đi ra từ hai nhánh ở phần làm lạnh đƣợc đƣa ra bằng cách cộng các mật độ dòng nhiệt và trừ đi phần đóng góp của nhiệt lƣợng Joule- Lenz ở các nhánh tƣơng ứng là 1 2 Qn Sn IT1 I Rn n (T1 T2 ) (1.19) 2 1 2 Qp S p IT1 I Rp p (T1 T2 ) (1.20) 2 Trong đó, nhiệt lƣợng Peltier Q1= -πT= -S.I.T sẽ đƣợc quan tâm ở mối nóng, một phần nhiệt lƣợng Jun Q2= -1/2I2R đƣợc sinh ra trong các nhánh sẽ đi tới mối nóng, và nhiệt lƣợng Q3= -κ∆T sẽ ra xa mối nóng bởi quá trình dẫn nhiệt. Ở đây, κn (hay κp) và Rn (hay Rp) tƣơng ứng biểu thị độ dẫn nhiệt và điện trở của hai nhánh. Chú ý rằng Sn là âm, và do vậy dòng nhiệt sinh ra bởi dòng điện đƣợc truyền từ nguồn vào cả hai nhánh. Dòng nhiệt lƣợng tổng cộng tỏa ra từ nguồn là 1 2 Qtotal ( S p Sn ) IT1 (T1 T2 ) I R (1.22) 2 Trong đó, ta biểu diễn song song, tổng dẫn nhiệt bởi λ và tổng hệ điện trở bởi R. Dòng trong mạch bây giờ có thể đƣợc điều chỉnh để có đƣợc tối đa giá trị nhiệt lƣợng làm mát lớn nhất, đó là 2 1 S pn 2 Qmax T1 (T1 T2 ) (1.23) 2 R Sự chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn và bề mặt có thể đạt đƣợc là 2 1 S pn 2 1 pn 2 (T1 T2 )max T1 Z T1 (1.24) 2 R 2 Trong đó, ta định nghĩa hệ số phẩm chất Zpn, đối với cặp nhiệt điện và chú ý rằng hiệu suất của nguồn lạnh bị điều chỉnh bởi thông số này. Để hiệu suất cao nhất, ta có hiệu giữa các nguồn nhiệt của các nhánh là lớn và tích κR nhỏ. Tích này phụ thuộc vào các kích thƣớc (L là chiều dài và A là tiết diện ngang) của các nhánh. Nếu ta viết nó dƣới dạng các độ dẫn nhiệt và điện trở suất là Lê Thị Thu Hương - 17 -
Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ Ap An Lp Ln R p n p n Lp Ln Ap An (1.25) Ap Ln An Lp p p n n p n n p An Lp Ap Ln A p Ln Và giảm thiểu tối đa đối với một trong các tỉ số, , ta thấy rằng giá trị An L p tối thiểu đƣợc cho bởi 2 R min p p n n (1.26) Do đó, hệ số phẩm chất chỉ phụ thuộc các thông số vật liệu 2 pn S pn Z 2 (1.27) p p n n Hệ số phẩm chất nhiệt điện đặc trƣng cho vật liệu đƣợc định nghĩa nhƣ sau: S2 S2 ZT (1.28) Trong đó: S, κ, ρ và σ tƣơng ứng là hệ số Seebeck, độ dẫn nhiệt, điện trở suất và độ dẫn điện của vật liệu. Lê Thị Thu Hương - 18 -
Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ * Mô hình phẩn tử nhiệt điện cho việc ứng dụng Hình 1.2: Mô hình cho mục đích phát điện, sử dụng hiệu ứng Seebeck Hình 1.3: Mô hình cho mục đích làm lạnh, sử dụng hiệu ứng Peltier Lê Thị Thu Hương - 19 -
Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ 1.3. Các loại vật liệu nhiệt điện Vật liệu nhiệt điện cho ứng dụng làm cặp nhiệt điện chủ yếu là kim loại, có hệ số Seebeck và hoạt động ở những vùng nhiệt độ khác nhau. Vật liệu cho việc chuyển hóa năng lƣợng nhiệt thành năng lƣợng điện chủ yếu là các hợp kim bán dẫn, đòi hỏi có ZT ≈1. Thời gian gần đây, các hệ oxit chứa Coban (Co) cũng cho ZT>1 và có độ dẫn nhiệt thấp. Hệ vật liệu pervoskite và các biến thể của nó cũng là những ứng cử viên trong nghiên cứu và tìm kiếm vật liệu có hệ số phẩm chất ZT cao, hoạt động ở vùng nhiệt độ cao. 1.3.1. Vật liệu nhiệt điện kinh điển Vật liệu nhiệt điện cho đến giờ đƣợc sử dụng cho ứng dụng thực tế là Bi 2Te3, PbTe và Si1-xGex. Bi2Te3 cho hiệu suất cao nhất ở nhiệt độ phòng và đƣợc sử dụng cho các ứng làm lạnh nhƣ phần tử làm lạnh Peltier. PbTe cho hiệu suất cao nhất ở 500-600K, và Si1-xGex cao nhất gần 1000K. Bismuth telluride (Bi2Te3) đƣợc biết bởi hệ số Seebeck cao ( 200 V/K), độ dẫn điện lớn ( 1000 1/ cm), độ dẫn nhiệt thấp (κ 1.5 W/mK) và ZT 1 ở nhiệt độ phòng. Ở nhiệt độ cao, hệ số Seebeck giảm và do đó ZT giảm mạnh. PbTe đã đƣợc tìm thấy có tính chất nhiệt điện tốt ở dải nhiệt độ từ 300-700K. Hệ số Seebeck đạt giá trị lớn nhất ( 220 V/K) với x= 0.15 ở 300K (ở nhiệt độ phòng). Các hợp kim SiGe là những vật liệu phù hợp nhất cho phát điện nhiệt điện. Việc thêm Ge vào Si để tăng giá trị ZT, chủ yếu là do tăng tán xạ phonon liên quan đến sự phân bố ngẫu nhiên nguyên tử Si, Ge trong hợp kim. Với Si 0.7Ge0.3, giá trị chính xác của mức pha tạp tối ƣu khác nhau một chút với thành phần và nhiệt độ, nhƣng luôn nằm trong khoảng từ 1 đến 3 x 10 20 cm-3 cho SiGe loại n, và khoảng từ 2 đến 4x 1020 cm-3 cho SiGe loại p. Lê Thị Thu Hương - 20 -
Trường Đại học Khoa học tự nhiên Luận văn Thạc sĩ 1.3.2. Vật liệu perovskite ABO3 1.3.2.1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu perovskite Trong phạm vi nghiên cứu vật liệu perovskite có hiệu ứng từ trở, từ nhiệt, nhiệt điện lớn, bao gồm một số lớn các hợp chất vô cơ có công thức tổng quát dạng ABO3, với A là các cation của các nguyên tố đất hiếm hay kim loại kiềm thổ (Y, La, Nd, Sm, Ca, Ba, ...), B là cation của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp (Mn, Co, Fe...). Trƣờng hợp chung, bán kính của cation A lớn hơn bán kính của cation B. Cấu trúc perovskite ABO3 lý tƣởng có dạng lập phƣơng (hình 1.4a), với các thông số của ô mạng cơ sở thỏa mãn: a=b=c và α = β = γ = 900. Cation A nằm tại các đỉnh, anion O2- nằm tại vị trí tâm của các mặt của hình lập phƣơng, còn tâm hình lập phƣơng là vị trí của cation B. Vị trí cation A Vị trí anion O2- Vị trí cation B Hình 1.4: Cấu trúc của tinh thể perovskite lý tƣởng Ngoài ra, có thể mô tả cấu trúc tinh thể perovskite lý tƣởng dƣới dạng sắp xếp các bát diện tạo bởi các anion ôxy (hình 1.4b). Trong trƣờng hợp này cation B nằm tại vị trí các hốc bát diện, tâm của hình lập phƣơng tạo bởi 8 cation B lân cận là vị trí của cation A. Từ hình 1.4b có thể thấy góc liên kết giữa B - O - B là 1800 và độ dài liên kết B - O bằng nhau theo mọi phƣơng. Dƣới tác dụng của các điều kiện bên ngoài nhƣ nhiệt độ, tạp chất, từ trƣờng, áp suất... cấu trúc perovskite lý tƣởng sẽ bị biến dạng. Cấu trúc perovskite không còn dạng lập phƣơng lý tƣởng dẫn tới góc Lê Thị Thu Hương - 21 -

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.09: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Quản Trị Kinh Doanh

81 tài liệu

1643 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.