Nghiên Cứu Tính Chất Nhiệt Điện Của Màng Mỏng ZnO Đồng Pha Ga và In

• Tác giả: Pham Thanh Tuan Anh
• Người hướng dẫn: Assoc. Tran Cao Vinh
• Trường học: Vietnam National University - Ho Chi Minh University of Science
• Chuyên ngành: Materials Science
• Đề tài: Studying Thermoelectric Properties Of Ga And In Co-Doped ZnO Thin Films
• Loại tài liệu: Doctoral Thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• Declaration
• Acknowledgments
• 1. CHAPTER 1: Overview and motivation. Evaluation of thermoelectric performance. Dimensionless figure of merit and power factor. Quality factor. Trade-offs among TE parameters
• 1.1. Seebeck coefficient
• 1.2. Density-of-state (DOS) effective mass. Optimization problem. Thermoelectric ZnO materials
• 1.3. Suitability for power-generation applications. Research literature and motivation
• 1.4. Thin-film materials
• 1.5. Scientific ideas and purposes
• 1.6. Dimension reduction approach
• 1.7. Synthesis techniques. Experiments and methodologies
• 2. CHAPTER 2: Materials and composition calculation. Bulk material synthesis. Thin-film synthesis
• 2.1. Fabrication of sputtering targets. Deposition process
• 2.2. X-ray photoelectron spectroscopy. Photoluminescence spectroscopy. Seebeck and resistivity measurement. Hall effect-based measurement. Laser flash analysis
• 2.3. Time-domain thermoreflectance. Differential scanning calorimetry
• 2.4. Other analysis techniques
• 3. CHAPTER 3: Compensation of Zn substitution and secondary phase segregation in thermoelectric IGZO bulk materials
• 3.1. Elemental binding energy analysis
• 3.2. Lattice defect evaluation
• 3.3. Electrical and thermopower properties
• 3.4. Thermoelectric quality factor and figure of merit
• 3.5. Lattice-defect engineering in thermoelectric IGZO thin films
• 3.6. Dual-doping strategy
• 3.7. Composition and binding energy analyses
• 3.8. Microcrystalline structure and morphology
• 3.9. Electrical and thermopower properties
• 3.10. Thermal properties and thermoelectric performance
• 3.11. Chemical binding state and structural analysis
• 3.12. Energy band structure and point defects
• 5. CHAPTER 5: Fermi-level and band structure modification in thermoelectric properties of IGZO thin films
• 5.1. Crystallography, band structure, and Fermi-level position
• 5.2. Morphology and microstructure
• 5.3. Power factor components and band flattening
• 5.4. Thermal components and thermoelectric performance
• Conclusions and future works
• List of related publications

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Tính Chất Nhiệt Điện Màng Mỏng ZnO

Nghiên cứu tính chất nhiệt điện của vật liệu đang ngày càng trở nên quan trọng do nhu cầu năng lượng tái tạo và thu hồi nhiệt thải tăng cao. Màng mỏng ZnO là một vật liệu đầy hứa hẹn trong lĩnh vực này nhờ tính chất bán dẫn, độ bền hóa học và khả năng chế tạo với chi phí tương đối thấp. Việc đồng pha Ga và In vào màng mỏng ZnO là một phương pháp hiệu quả để điều chỉnh các tính chất điện và nhiệt, từ đó tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Nghiên cứu này tập trung vào việc khám phá và tối ưu hóa các thông số chế tạo để đạt được tính chất nhiệt điện tốt nhất cho màng mỏng ZnO đồng pha Ga và In. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển các thiết bị nhiệt điện màng mỏng hiệu quả.

1.1. Giới Thiệu Về Vật Liệu Nhiệt Điện ZnO Ưu Việt

Vật liệu nhiệt điện có khả năng chuyển đổi trực tiếp giữa nhiệt năng và điện năng thông qua hiệu ứng Seebeck và hiệu ứng Peltier. ZnO là một oxide bán dẫn có nhiều ưu điểm như độ bền, khả năng chế tạo đơn giản và chi phí thấp. Tuy nhiên, tính chất nhiệt điện của ZnO nguyên chất còn hạn chế. Vì vậy, việc nghiên cứu đồng pha các nguyên tố như Ga và In là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất.

1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Tối Ưu Màng Mỏng ZnO Nhiệt Điện

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là tạo ra màng mỏng ZnO có tính chất nhiệt điện được cải thiện thông qua việc đồng pha Ga và In. Các thông số như hệ số Seebeck, độ dẫn điện, và độ dẫn nhiệt sẽ được điều chỉnh để đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc tìm hiểu cơ chế ảnh hưởng của Ga và In đến các tính chất này.

II. Vấn Đề Hạn Chế Tính Chất Nhiệt Điện Của ZnO Nguyên Chất

ZnO nguyên chất có độ dẫn nhiệt cao và hệ số Seebeck thấp, dẫn đến hiệu suất nhiệt điện kém. Việc cải thiện tính chất nhiệt điện của ZnO là một thách thức lớn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc pha tạp các nguyên tố khác nhau có thể thay đổi cấu trúc điện tử và phonon, từ đó ảnh hưởng đến độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt. Tuy nhiên, việc lựa chọn nguyên tố pha tạp và kiểm soát nồng độ pha tạp vẫn là một vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Tại Sao Cần Cải Thiện Hiệu Suất Vật Liệu ZnO Nhiệt Điện

Việc cải thiện hiệu suất nhiệt điện của ZnO có ý nghĩa to lớn trong việc tận dụng năng lượng tái tạo và giảm thiểu nhiệt thải. Các thiết bị nhiệt điện hiệu quả có thể chuyển đổi nhiệt thải từ các quá trình công nghiệp, ô tô, và các nguồn nhiệt khác thành điện năng, giúp tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu vật liệu hiệu quả là rất quan trọng.

2.2. Thách Thức Trong Chế Tạo Màng Mỏng ZnO Pha Tạp Tối Ưu

Việc chế tạo màng mỏng ZnO pha tạp với tính chất nhiệt điện tối ưu đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ các thông số chế tạo như nồng độ pha tạp, nhiệt độ, áp suất, và tốc độ lắng đọng. Sự phân bố đồng đều của các nguyên tố pha tạp trong màng mỏng cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất nhiệt điện. Cần có các phương pháp chế tạo màng mỏng tiên tiến và các kỹ thuật phân tích hiện đại để giải quyết thách thức này.

III. Phương Pháp Đồng Pha Ga và In Giải Pháp Tối Ưu ZnO

Việc đồng pha Ga và In vào màng mỏng ZnO là một phương pháp hứa hẹn để cải thiện tính chất nhiệt điện. Ga và In có thể thay đổi cấu trúc điện tử và phonon của ZnO, từ đó ảnh hưởng đến độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt. Sự kết hợp của Ga và In có thể tạo ra hiệu ứng synergic, mang lại kết quả tốt hơn so với việc pha tạp một nguyên tố duy nhất. Việc kiểm soát nồng độ pha tạp của Ga và In là rất quan trọng để đạt được tính chất nhiệt điện tối ưu.

3.1. Ảnh Hưởng Của Ga và In Đến Cấu Trúc Điện Tử và Phonon ZnO

Ga và In có kích thước ion và độ âm điện khác nhau so với Zn, do đó khi thay thế Zn trong cấu trúc tinh thể ZnO, chúng sẽ tạo ra sự biến dạng mạng và thay đổi mật độ trạng thái điện tử. Điều này ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện và tán xạ phonon, từ đó thay đổi tính chất nhiệt điện.

3.2. Kiểm Soát Nồng Độ Pha Tạp Ga và In Để Tối Ưu Hiệu Suất

Việc kiểm soát chính xác nồng độ pha tạp của Ga và In là rất quan trọng để đạt được tính chất nhiệt điện tối ưu. Nồng độ pha tạp quá thấp có thể không đủ để tạo ra sự thay đổi đáng kể trong cấu trúc điện tử và phonon, trong khi nồng độ pha tạp quá cao có thể dẫn đến sự hình thành các pha thứ cấp và làm giảm độ dẫn điện. Cần có các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng để xác định nồng độ pha tạp tối ưu.

3.3 Lựa Chọn Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng Phún xạ PLD ALD

Các phương pháp chế tạo màng mỏng như phún xạ, PLD (Pulsed Laser Deposition) và ALD (Atomic Layer Deposition) có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc, tính chất và hiệu suất của màng mỏng ZnO đồng pha Ga và In. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Phún xạ thường được sử dụng vì tính đơn giản và khả năng chế tạo màng mỏng diện tích lớn. PLD cho phép kiểm soát tốt nồng độ pha tạp và cấu trúc của màng. ALD có khả năng tạo ra màng mỏng đồng đều và có độ che phủ tốt.

IV. Kết Quả Phân Tích Tính Chất Nhiệt Điện Màng Mỏng Ga In ZnO

Các kết quả nghiên cứu cho thấy việc đồng pha Ga và In vào màng mỏng ZnO có thể cải thiện đáng kể hệ số Seebeck và độ dẫn điện, đồng thời giảm độ dẫn nhiệt. Cấu trúc tinh thể, nồng độ pha tạp, và phương pháp chế tạo đều có ảnh hưởng lớn đến tính chất nhiệt điện. Các kết quả này cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các thiết bị nhiệt điện màng mỏng hiệu quả.

4.1. Ảnh Hưởng của Nhiệt Độ Đến Hệ Số Seebeck và Độ Dẫn Điện

Hệ số Seebeck và độ dẫn điện của màng mỏng ZnO đồng pha Ga và In thường thay đổi theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ thấp, hệ số Seebeck có thể tăng lên do sự gia tăng của mật độ trạng thái điện tử gần mức Fermi. Ở nhiệt độ cao, độ dẫn điện có thể giảm do sự gia tăng của tán xạ phonon. Việc nghiên cứu sự phụ thuộc của các tính chất này vào nhiệt độ là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị nhiệt điện.

4.2. Phân Tích Cấu Trúc Tinh Thể Bằng Phương Pháp XRD

Phương pháp XRD (Nhiễu xạ tia X) được sử dụng để phân tích cấu trúc tinh thể của màng mỏng ZnO đồng pha Ga và In. Các kết quả XRD có thể cung cấp thông tin về kích thước tinh thể, ứng suất dư, và sự có mặt của các pha thứ cấp. Sự thay đổi trong cấu trúc tinh thể do pha tạp có thể ảnh hưởng đến tính chất nhiệt điện.

4.3 Xác Định Độ Dẫn Nhiệt Bằng Kỹ Thuật TDTR

Kỹ thuật TDTR (Time-Domain Thermoreflectance) được sử dụng để xác định độ dẫn nhiệt của màng mỏng ZnO đồng pha Ga và In. TDTR là một phương pháp chính xác và nhạy cảm để đo độ dẫn nhiệt của màng mỏng, đặc biệt là các màng có độ dày nhỏ. Việc giảm độ dẫn nhiệt là một yếu tố quan trọng để cải thiện hiệu suất nhiệt điện.

V. Ứng Dụng Tiềm Năng Ứng Dụng Thiết Bị Nhiệt Điện Màng Mỏng

Màng mỏng ZnO đồng pha Ga và In có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị nhiệt điện màng mỏng. Các thiết bị này có thể được sử dụng để thu hồi nhiệt thải từ các nguồn nhiệt khác nhau, từ đó tạo ra điện năng. Với kích thước nhỏ gọn và khả năng tích hợp dễ dàng, các thiết bị nhiệt điện màng mỏng có thể được sử dụng trong các ứng dụng như cảm biến, điện tử di động, và thiết bị y tế.

5.1. Ứng Dụng Trong Các Thiết Bị Cảm Biến Nhiệt Độ Miniaturized

Màng mỏng ZnO đồng pha Ga và In có thể được sử dụng để chế tạo các cảm biến nhiệt độ nhỏ gọn và có độ nhạy cao. Các cảm biến này có thể được sử dụng trong các ứng dụng như giám sát nhiệt độ trong các thiết bị điện tử, theo dõi nhiệt độ cơ thể, và kiểm soát nhiệt độ trong các quá trình công nghiệp.

5.2. Tạo Năng Lượng Cho Các Thiết Bị Điện Tử Tiêu Thụ Điện Năng Thấp

Thiết bị nhiệt điện màng mỏng có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử tiêu thụ điện năng thấp như cảm biến và thiết bị y tế. Việc sử dụng nhiệt thải từ cơ thể hoặc môi trường xung quanh để tạo ra điện năng có thể giúp kéo dài tuổi thọ pin và giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống.

5.3. Phát Triển Các Hệ Thống Thu Hồi Nhiệt Thải Quy Mô Nhỏ

Màng mỏng nhiệt điện có thể được tích hợp vào các hệ thống thu hồi nhiệt thải quy mô nhỏ để chuyển đổi nhiệt thải từ các nguồn như động cơ đốt trong và thiết bị công nghiệp thành điện năng. Các hệ thống này có thể giúp tăng hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Vật Liệu ZnO Nhiệt Điện

Nghiên cứu về màng mỏng ZnO đồng pha Ga và In đã chứng minh tiềm năng to lớn của vật liệu này trong lĩnh vực nhiệt điện. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết để tối ưu hóa tính chất nhiệt điện và ứng dụng vật liệu này trong thực tế. Các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc tìm kiếm các phương pháp chế tạo mới, khám phá các nguyên tố pha tạp khác, và phát triển các thiết bị nhiệt điện màng mỏng có hiệu suất cao.

6.1. Nghiên Cứu Các Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng Tiên Tiến Nhất

Việc nghiên cứu các phương pháp chế tạo màng mỏng tiên tiến như ALD và phún xạ phân tử (MBE) có thể giúp kiểm soát tốt hơn cấu trúc và thành phần của màng mỏng ZnO đồng pha Ga và In, từ đó cải thiện tính chất nhiệt điện.

6.2. Khám Phá Các Nguyên Tố Pha Tạp Thay Thế Ga và In

Việc khám phá các nguyên tố pha tạp khác có thể mang lại những cải thiện đáng kể về tính chất nhiệt điện của màng mỏng ZnO. Các nguyên tố này cần có kích thước ion và độ âm điện phù hợp để tạo ra sự thay đổi trong cấu trúc điện tử và phonon mà không gây ra sự hình thành các pha thứ cấp.

6.3. Phát Triển Các Thiết Bị Nhiệt Điện Màng Mỏng Hiệu Suất Cao

Việc phát triển các thiết bị nhiệt điện màng mỏng có hiệu suất cao đòi hỏi sự kết hợp giữa vật liệu tiên tiến, thiết kế tối ưu, và quy trình chế tạo chính xác. Các thiết bị này cần có khả năng thu hồi nhiệt thải hiệu quả và chuyển đổi thành điện năng với tổn thất tối thiểu.