Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ - điện của vật liệu nhiệt điện hệ orthor ferrit La(TiCoFe)O₃

Nội dung text: Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ - điện của vật liệu nhiệt điện hệ orthor ferrit La(TiCoFe)O₃

1. Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ - điện của vật liệu nhiệt điện hệ orthor ferrit La(TiCoFe)O3 Vũ Nữ Mai Hoa Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS Chuyên ngành: Vật lý chất rắn; Mã số 60 44 01 04 Người hướng dẫn: PGS.TS. Đặng Lê Minh Năm bảo vệ: 2013 Abstract. Giới thiệu tổng quan về vật liệu nhiệt điện và vật liệu orthorferrit LaFeO3. Các phương pháp thực nghiệm. Trình bày phương pháp chế tạo mẫu và các phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể, cấu trúc tế vi, tính chất điện và tính chất từ của vật liệu chế tạo được. Kết quả và thảo luận. Trình bày những kết quả chế tạo mẫu, nghiên cứu cấu trúc tinh thể, cấu trúc tế vi, tính chất điện và tính chất từ của mẫu đã chế tạo và đưa ra những nhận xét, giải thích kết quả. Keywords. Vật lý chất rắn; Vật liệu nhiệt điện; Khoa học vật liệu. Content MỞ ĐẦU Hầu hết các hoạt động của con người đều liên quan tới việc tiêu thụ năng lượng: từ việc đi lại, sản xuất tới những nhu cầu tối thiểu của cuộc sống. Trong khi những hoạt động đó diễn ra, năng lượng được chuyển hoá: từ điện năng thành cơ năng, từ năng lượng hóa thạch thành nhiệt hoặc chuyển động Cho dù chúng có diễn ra theo cách nào thì chắc chắn một điều là hiệu suất sử dụng năng lượng không bao giờ đạt 100%, luôn luôn có năng lượng bị hao phí. Một trong những nguồn hao phí điển hình nhất là thất thoát nhiệt vô ích. Không có gì ngạc nhiên khi một thống kê chỉ ra 2/3 năng lượng mà loài người sử dụng bị mất trong quá trình tỏa nhiệt. Vì thế, làm sao để tận dụng nguồn năng lượng dồi dào đó là một trong những mục tiêu nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước và quốc tế, đặc biệt đối với các nhà nghiên cứu về khoa học vật liêu. Một trong các loại vật liệu sử dụng trong lĩnh vực năng
2. lượng là Vật liệu nhiệt điện, đó là vật liệu có thể chuyển hóa trực tiếp năng lượng nhiệt thành năng lượng điện. Khi sự quan tâm chú ý tập trung vào việc tìm ra những nguồn năng lượng mới thân thiện với môi trường để thay thế những nguồn năng lượng hóa thạch được khai thác đang có nguy cơ cạn kiệt dần, gây ô nhiễm môi trường thì máy phát điện sử dụng vật liệu nhiệt điện là ý tưởng hay, phù hợp với những yêu cầu của cuộc sống đặt ra hiện nay. Đối với một máy phát điện sử dụng vật liệu nhiệt điện, hiệu suất chuyển đổi năng lượng nhiệt năng thành điện năng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: sự chênh lệch nhiệt độ trong khi hoạt động, nhiệt độ trung bình trong suốt quá trình máy hoạt động, chất lượng của vật liệu được sử dụng trong máy. Để đánh giá chất lượng của vật liệu, ta thường dùng đại lượng không thứ nguyên hệ số phẩm chất (the figure of merit Z). Z được định nghĩa là α2 Z= trong đó:  là độ dẫn điện (.cm), là hệ số Seebeck hay năng suất nhiệt điện  (V/K) và  là độ dẫn nhiệt (W / (cm . K)) của vật liệu . Như vậy, vật liệu nhiệt điện có giá trị Z lớn trong một dải nhiệt độ hoạt động xác định là điều hết sức quan trọng đối với một máy phát điện. Sự tìm kiếm vật liệu nhiệt điện thường theo hướng vật liệu có hệ số Seebeck và độ dẫn điện cao đồng thời độ dẫn nhiệt thấp. Vật liệu gốm nhiệt điện có cấu trúc Perovskite được coi là hệ vật liệu có tiềm năng cho mục đích chế tạo máy phát điện ở vùng nhiệt độ cao. Tuy nhiên, cơ chế đồng thời tạo ra α, σ cao và λ thấp đang là vấn đề tranh luận sôi nổi của các nhóm nghiên cứu vật liệu nhiệt điện. Vật liệu pervoskite có công thức tổng quát ABO3, với A là cation của 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). Sự thay thế các nguyên tố khác vào các vị trí của A hoặc B hoặc thay thế đồng thời cùng lúc hai vị trí tạo ra rất nhiều sự thay đổi tính chất. Khi có sự pha tạp, tính chất nhiệt điện của các vật liệu perovskite có khá nhiều hứa hẹn cải thiện để phù hợp với các mục đích ứng dụng khác nhau . Các hướng nghiên cứu chế tạo và khảo sát vật liệu pervoskite được thực hiện với các họ vật liệu quen thuộc như SrTiO3, LaMnO3, CaMnO3, LaFeO3 Trước đây, nhóm nghiên cứu vật liệu gốm nhiệt điện của Bộ môn Vật lý Chất rắn, Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia-Hà nội, đã chế tạo vật liệu LaFeO3 pha tạp Ti cho hệ số Seebeck có giá trị dương rất lớn, cỡ mV/K. Tuy nhiên, độ dẫn điện của vật liệu còn thấp nên chưa thể ứng dụng thực tế được. Nhằm nghiên cứu làm tăng độ
3. dẫn điện của vật liệu nói trên, tôi chọn đề tài “Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ - điện của vật liệu nhiệt điện hệ orthorferrit La(TiCoCuFe)O3” làm đề tài cho luận văn. Nội dụng chính của bản luận văn gồm: - Mở đầu - Chương 1: Giới thiệu tổng quan về vật liệu nhiệt điện và vật liệu orthorferrit LaFeO3. - Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm. Trình bày phương pháp chế tạo mẫu và các phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể, cấu trúc tế vi, tính chất điện và tính chất từ của vật liệu chế tạo được. - Chương 3 : Kết quả và thảo luận. Trình bày những kết quả chế tạo mẫu, nghiên cứu cấu trúc tinh thể, cấu trúc tế vi, tính chất điện và tính chất từ của mẫu đã chế tạo và đưa ra những nhận xét, giải thích kết quả. - Kết luận. - Tài liệu tham khảo. - Phụ lục. Reference TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Chao Wang Hong, Lei Wang Chun, Liang Zhang Jia, Lei Zhao Ming, Liu Jian Su Wen Bin, Yin Na, Mei Liang Mo (2009), “Cu Doping Effect on Electrical Resistivity and Seebeck Coefficient of Perovskite-Type LaFeO3 Ceramics”, Chin. Phys. Lett. Vol. 26 No. 10 107301. 2. Das Soma, T.K. Dey (2006), “Temperature dependence of the thermoelectric power of La1- xKxMnO3 compounds in light of a two phase model”, Physica B, 381, PP. 280–288. 3. Dagotto Elibio, Hotta Takashi, Moreo Adriana (2001), “Collosal Magnetoresistance material: the key role of phase separation”, Physics reports 334, PP. 18-93. 4. Giani A., Al Bayaz A., Foucaran A., Pascal-Delannoy F., Boyer A. (2002), “Elaboration of Bi2Se3 by metalorganic chemical vapour deposition”, Journal of Crystal Growth, 236, PP. 217–220.
4. 5. Iwasaki Kouta, Tsuyoshi Ito, Masahito Yoshino, Tsuneo Matsui, Takanori Nagasaki, Yuji Arita (2007), “Power factor of La1−xSrxFeO3 and LaFe1−yNiyO3”, Journal of Alloys and Compounds 430, PP. 297–301. 6. Iwanaga Shiho (2008), “Thermoelectric properties and applications of Sodium doped Vanadium pentoxide thin films”, PhD. Thesis in Electrical Engineering, University of Washington, USA. 7. Kanatzidis M.G, Mahanti S.D, Hogan T.P. (2001), “Chemistry, Physics, and Materials Science of Thermoelectric Materials”, Plenum Press, New York. 8. Kim Minjung, "Structural, electric and magnetic properties of Mn perovskite", Deparment of Phyics, University of Illinois at Urbana - Champaign, IL61801, USA. 9. LW Tai (1995), “Solid State Ionic” 76 PP. 117. 10. Đang Le Minh, Nguyen Van Du and Nguyen Thi Thuy (2008), “The magnetic and electric properties of the perovskite compound of LaFeO3 doped Sr, Ti”, Proceeding of the eleventh Vietnamese-German Seminar on Physcis and Engineering, Nha Trang city from 31 March to 05 April. 11. Mott N. F, Davis E. A. (1971), “Electronic Processes in Non-crystalline Materials”, Clarendon Press Oxford. 12. Mohamed Ahmed 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. 13. Muta Hiroaki, Kurosaki Ken, Shinsuke Yamanaka (2003), “Thermoelectric properties of rare earth doped SrTiO3”, Journal of Alloys and Compounds 350, PP. 292–295. 14. Robert R., M.H. Aguirre, P. Hug, A. Reller, A. Weidenka (2007), “High-temperature thermoelectric properties of Ln(Co, Ni)O3 (Ln = La, Pr, Nd, Sm, Gd and Dy) compounds”, Acta Materialia 55, PP. 4965–4972. 15. Robert R., L. Bocher, M. Trottmanna, A. Reller, A. Weidenkaff (2006), “Synthesis and high-temperature thermoelectric properties of Ni and substituted LaCoO3”, Journal of Solid State Chemistry, 179 PP. 3893–3899. 16. S I Vecherskii (2004), Phys. Solid State 46, PP. 1433.
5. 17. Nguyen Thi Thuy, Dang Le Minh, Ngo Van Nong (2012), “Thermoelectric properties of Ca1-xYxMnO3 and Ca0.9Y0.1-yFeyMnO3 perovskite compounds”, Journal of Science and Technology 50 (1B), PP. 335-341. [18] Muhammet Toprak, Yu Zhang, Mamoun Muhammed (2003), Chemical alloying and characterization of nanocrystalline bismuth telluride, Materials Letters 4460, PP. 1 – 7. 19. Ning Wang, Hongcai HE, Yaoshuai BA, Chunlei Wan and Kunihito Koumoto (2009), Thermoelectric properties of Nb-doped SrTiO3 ceramics enhanced by potassium titanate nanowires addition, Journal of Electronic Materials 38, PP. 1002-1007. 20. J.Y. Yang, T. Aizawa, A. Yamamoto, T. Ohta (2000), Thermoelectric properties of n- type (Bi2Se3)x (Bi2Te3)1-x prepared by bulk mechanical alloying and hot pressing, Journal of Alloys and Compounds 312, PP. 326–330. 21. Y Park C and Jacohson A J, J. Electrochem (2005), Soc 152, PP. 16