I. Giới thiệu và mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào tính chất nhiệt điện của vật liệu bán dẫn SnSe và SnS, hai vật liệu có cấu trúc lớp và tiềm năng ứng dụng cao trong lĩnh vực chuyển đổi năng lượng. Mục tiêu chính là chế tạo và khảo sát các đơn tinh thể SnSe, SnS và hợp chất lai hóa SnSe1-xSx để cải thiện hiệu suất nhiệt điện. Hiệu ứng Seebeck, hiệu ứng Peltier, và hiệu ứng Thomson được phân tích để hiểu rõ cơ chế chuyển đổi nhiệt điện. Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa các thông số như độ dẫn điện, hệ số Seebeck, và độ dẫn nhiệt để nâng cao hệ số phẩm chất nhiệt điện ZT.
1.1. Lý do chọn đề tài
Việc tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo và thân thiện với môi trường là xu hướng toàn cầu. Vật liệu nhiệt điện như SnSe và SnS có khả năng chuyển đổi nhiệt dư thừa thành điện năng, mang lại tiềm năng ứng dụng lớn. SnSe đạt hệ số ZT lên tới 2.6, trong khi SnS có hệ số ZT thấp hơn do nồng độ hạt tải thấp. Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện các thông số nhiệt điện thông qua chế tạo đơn tinh thể và lai hóa hai vật liệu này.
1.2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục đích là chế tạo thành công các đơn tinh thể SnSe, SnS, và SnSe1-xSx, đồng thời khảo sát cấu trúc, thành phần hóa học, và tính chất nhiệt điện của chúng. Nhiệm vụ bao gồm sử dụng phương pháp biến thiên nhiệt độ để tổng hợp đơn tinh thể, phân tích hình thái và cấu trúc bằng FE-SEM và XRD, và đo lường tính chất nhiệt điện bằng hệ TPMS.
II. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu kết hợp giữa thực nghiệm và lý thuyết. Phương pháp biến thiên nhiệt độ được sử dụng để chế tạo đơn tinh thể SnSe và SnS. Hình thái và cấu trúc của vật liệu được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) và giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD). Tính chất nhiệt điện được đo lường bằng hệ Transport Properties Measurement System (TPMS). Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác độ dẫn điện, hệ số Seebeck, và nồng độ hạt tải của vật liệu.
2.1. Chế tạo đơn tinh thể
Phương pháp biến thiên nhiệt độ được áp dụng để tổng hợp đơn tinh thể SnSe và SnS. Quy trình này bao gồm việc làm lạnh chậm ở nhiệt độ trên 900°C để đảm bảo chất lượng tinh thể. Việc điều khiển quy trình chế tạo có thể ảnh hưởng đến mật độ khuyết tật trong tinh thể, từ đó thay đổi tính chất vật liệu.
2.2. Khảo sát cấu trúc và hình thái
Hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể được phân tích bằng FE-SEM và XRD. Các kết quả này giúp xác định độ tinh khiết và cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu, yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất nhiệt điện.
III. Kết quả và thảo luận
Nghiên cứu đã chế tạo thành công các đơn tinh thể SnSe, SnS, và hợp chất lai hóa SnSe1-xSx. Kết quả cho thấy SnSe có độ dẫn điện và hệ số Seebeck cao hơn so với SnS, dẫn đến hệ số ZT cao hơn. Hợp chất lai hóa SnSe1-xSx cho thấy sự thay đổi đáng kể về tính chất nhiệt điện tùy thuộc vào tỷ lệ thành phần. Các kết quả này được phân tích và so sánh với các nghiên cứu trước đây để đánh giá tiềm năng ứng dụng của vật liệu.
3.1. Tính chất nhiệt điện của SnSe
Đơn tinh thể SnSe chế tạo bằng phương pháp biến thiên nhiệt độ có độ dẫn điện và hệ số Seebeck cao, dẫn đến hệ số ZT đạt 2.6. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về SnSe, khẳng định tiềm năng ứng dụng của vật liệu này trong thiết bị nhiệt điện.
3.2. Tính chất nhiệt điện của SnS
SnS có độ dẫn điện thấp hơn so với SnSe, dẫn đến hệ số ZT thấp hơn. Tuy nhiên, việc pha tạp nguyên tố khác có thể cải thiện nồng độ hạt tải và độ dẫn điện, từ đó nâng cao hiệu suất nhiệt điện của vật liệu.
IV. Kết luận và hướng phát triển
Nghiên cứu đã chế tạo thành công các đơn tinh thể SnSe, SnS, và hợp chất lai hóa SnSe1-xSx, đồng thời khảo sát tính chất nhiệt điện của chúng. Kết quả cho thấy SnSe có tiềm năng ứng dụng cao hơn so với SnS do hệ số ZT cao hơn. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tối ưu hóa quy trình chế tạo, pha tạp nguyên tố khác để cải thiện tính chất nhiệt điện, và ứng dụng vật liệu trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng thực tế.
