Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tính chất vật lý và hiệu ứng nhiệt điện của vật liệu perovskite Ca1-xAxMn1-yByO3

• Người hướng dẫn: PGS. Bạch Thành Công
• Trường học: Đại học KHTN - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất vật lý của vật liệu perovskite Ca1-xAxMn1-yByO3 và hiệu ứng nhiệt điện
• Loại tài liệu: Luận án
• Năm xuất bản: 2002-2006
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU PEROVSKITE MANGANITE
• 1.1. Vật liệu perovskite manganite
• 1.2. Vật liệu perovskite sắt từ
• 1.3. Cấu trúc perovskite ABO3 lý tưởng
• 1.4. Phối vị 12 và cấu trúc AO12 của perovskite
• 1.5. Cation vị trí A và B trong cấu trúc perovskite
• 1.6. Sơ đồ tách mức năng lượng của ion Mn3+ trong perovskite
• 1.7. Hiệu ứng Jahn – Teller (JT)
• 1.8. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ MÔ HÌNH LÝ THUYẾT
• 2.1. Mô hình trao đổi kép – Double exchange (DE) model
• 2.2. Lý thuyết trao đổi kép áp dụng cho perovskite manganite
• 2.3. Một số kết quả lý thuyết của mô hình trao đổi kép (DE)
• 2.4. Mô hình dẫn điện khoảng nhảy biến thiên – Variable range hopping (VRH) model
• 2.5. Mô hình polaron bán kính nhỏ – Small polaron (SP) model
• 2.6. Lý thuyết về hình học Fractal
• 2.7. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3.1. Công nghệ chế tạo mẫu
• 3.1.1. Phương pháp đồng kết tủa
• 3.1.2. Phương pháp sol-gel
• 3.1.3. Công nghệ gốm
• 3.1.4. Chuẩn bị vật liệu
• 3.2. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất
• 3.2.1. Chụp ảnh bề mặt mẫu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.2.2. Phép phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ kế tia X (X-ray)
• 3.2.3. Phương pháp phân tích nhiệt DSC và TGA
• 3.2.4. Phương pháp đo tính chất từ sử dụng từ kế mẫu rung (VSM)
• 3.2.5. Phương pháp đo điện trở suất và các phương pháp đo khác
• 3.3. Kết luận chương
• 4. CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ THAY THẾ A = Fe, Nd LÊN HỌ VẬT LIỆU Ca1-xAxMnO3
• 4.1. Hệ mẫu Ca1-xFexMnO3 (x = 0; 0,01; 0,03; 0,05)
• 4.1.1. Chế tạo mẫu CaMnO3 bằng phương pháp sol-gel
• 4.1.2. Chế tạo mẫu Ca1-xFexMnO3 bằng phương pháp gốm
• 4.1.3. Tính chất nhiệt điện và từ của hệ mẫu Ca1-xFexMnO3
• 4.1.4. Hệ số Seebeck và hệ số phẩm chất của hệ mẫu Ca1-xFexMnO3
• 4.1.5. Nhận xét về hệ mẫu Ca1-xFexMnO3
• 4.2. Hệ mẫu Ca1-xNdxMnO3 (x = 0; 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 0,9)
• 4.2.1. Cấu trúc hệ mẫu Ca1-xNdxMnO3
• 4.2.2. Hình thái hạt của hệ mẫu Ca1-xNdxMnO3
• 4.2.3. Tính chất từ và nhiệt điện của hệ mẫu Ca1-xNdxMnO3
• 4.2.4. Nhận xét về hệ mẫu Ca1-xNdxMnO3
• 4.3. Kết luận chương
• 5. CHƯƠNG 5: ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC THAY THẾ CÁC NGUYÊN TỐ B = Ru CHO Mn TRONG HỌ VẬT LIỆU Ca1-xPrxMn1-yRuyO3
• 5.1. Hệ mẫu Ca0,85Pr0,15Mn1-yRuyO3 (y = 0; 0,03; 0,05; 0,07)
• 5.1.1. Cấu trúc của hệ mẫu Ca0,85Pr0,15Mn1-yRuyO3
• 5.1.2. Hình thái hạt của hệ mẫu Ca0,85Pr0,15Mn1-yRuyO3
• 5.1.3. Tính chất điện của hệ mẫu Ca0,85Pr0,15Mn1-yRuyO3
• 5.2. Hệ mẫu Ca0,6Pr0,4Mn1-yRuyO3 (y = 0; 0,03; 0,05; 0,07)
• 5.2.1. Cấu trúc của hệ mẫu Ca0,6Pr0,4Mn1-yRuyO3
• 5.2.2. Tính chất từ của hệ mẫu Ca0,6Pr0,4Mn1-yRuyO3
• 5.2.3. Độ dẫn điện và hiệu ứng trật tự điện tích của hệ mẫu Ca0,6Pr0,4Mn1-yRuyO3
• 5.3. Áp dụng lý thuyết thẩm thấu trong việc nghiên cứu tính dẫn điện của perovskite ruthenate
• 5.3.1. Lý thuyết thẩm thấu đối với các vật liệu gốm
• 5.3.2. Đo lường fractal đối với vật liệu gốm
• 5.3.3. Áp dụng mô hình thẩm thấu trên họ vật liệu Ca0,85Pr0,15Mn1-yRuyO3
• 5.4. Kết luận chương
• KẾT LUẬN CHUNG
• CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về vật liệu perovskite Ca1 xAxMn1 yByO3 và hiệu ứng nhiệt điện

Vật liệu perovskite, đặc biệt là Ca1-xAxMn1-yByO3, đã thu hút sự chú ý lớn trong nghiên cứu vật liệu do tính chất vật lý độc đáo của chúng. Các vật liệu này có cấu trúc tinh thể đặc biệt, cho phép chúng thể hiện nhiều hiệu ứng vật lý thú vị, bao gồm hiệu ứng nhiệt điện. Hiệu ứng nhiệt điện là hiện tượng xuất hiện suất điện động giữa hai đầu một thanh vật liệu khi có gradient nhiệt độ dọc theo nó. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc thay thế các nguyên tố trong cấu trúc perovskite có thể làm thay đổi đáng kể tính chất điện và từ của vật liệu, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ năng lượng.

1.1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu perovskite

Cấu trúc perovskite có công thức hóa học ABO3, trong đó A là kim loại đất hiếm hoặc kim loại kiềm thổ, và B là kim loại chuyển tiếp. Cấu trúc này cho phép sự thay thế các cation, dẫn đến sự thay đổi mạnh mẽ về tính chất điện và từ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi thay thế các nguyên tố A hoặc B, tính chất điện từ của vật liệu có thể thay đổi từ điện môi sang kim loại, từ phản sắt từ sang sắt từ.

1.2. Hiệu ứng nhiệt điện trong vật liệu perovskite

Hiệu ứng nhiệt điện trong vật liệu perovskite Ca1-xAxMn1-yByO3 được đặc trưng bởi hệ số Seebeck cao và hệ số phẩm chất lớn. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc pha tạp các nguyên tố như Fe và Nd có thể cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt điện của vật liệu. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các thiết bị nhiệt điện hiệu quả hơn, có thể ứng dụng trong việc chuyển đổi nhiệt thành điện năng.

II. Thách thức trong nghiên cứu tính chất vật lý của vật liệu perovskite

Mặc dù vật liệu perovskite Ca1-xAxMn1-yByO3 có nhiều tiềm năng, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc nghiên cứu và phát triển chúng. Một trong những thách thức lớn nhất là sự thiếu hệ thống trong các hướng nghiên cứu, dẫn đến độ tản mạn cao của các kết quả nghiên cứu. Điều này gây khó khăn trong việc tổng hợp và so sánh các kết quả, cũng như trong việc phát triển các ứng dụng thực tiễn.

2.1. Vấn đề thiếu hệ thống trong nghiên cứu

Nhiều nghiên cứu về vật liệu perovskite hiện nay thiếu sự hệ thống hóa, dẫn đến việc khó khăn trong việc tổng hợp các kết quả. Điều này có thể gây ra sự nhầm lẫn và khó khăn trong việc áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn.

2.2. Độ tản mạn cao của kết quả nghiên cứu

Độ tản mạn cao của các kết quả nghiên cứu về vật liệu perovskite làm cho việc xác định các xu hướng và mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất trở nên khó khăn. Điều này cần được khắc phục thông qua việc thiết lập các tiêu chuẩn nghiên cứu rõ ràng và nhất quán.

III. Phương pháp nghiên cứu tính chất vật lý của vật liệu perovskite

Để nghiên cứu tính chất vật lý của vật liệu perovskite Ca1-xAxMn1-yByO3, nhiều phương pháp thực nghiệm và lý thuyết đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm chế tạo mẫu bằng phương pháp phản ứng pha rắn, phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X, và đo đạc tính chất điện từ bằng các thiết bị hiện đại.

3.1. Phương pháp chế tạo mẫu vật liệu perovskite

Mẫu vật liệu perovskite được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn, cho phép kiểm soát tốt các điều kiện chế tạo. Phương pháp này giúp tạo ra các mẫu có tính chất đồng nhất và ổn định, phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo.

3.2. Phương pháp phân tích và đo đạc tính chất

Các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để xác định cấu trúc và hình thái của mẫu. Đồng thời, các phép đo tính chất điện từ được thực hiện để đánh giá hiệu suất nhiệt điện của vật liệu.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của vật liệu perovskite

Các nghiên cứu về vật liệu perovskite Ca1-xAxMn1-yByO3 đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Việc pha tạp các nguyên tố như Fe và Nd không chỉ cải thiện tính chất điện từ mà còn nâng cao hiệu suất nhiệt điện. Những kết quả này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực năng lượng và công nghệ.

4.1. Ảnh hưởng của pha tạp lên tính chất vật liệu

Việc pha tạp các nguyên tố vào cấu trúc perovskite đã cho thấy sự thay đổi rõ rệt về tính chất điện và từ. Các nghiên cứu cho thấy rằng sự thay thế này có thể làm tăng hệ số Seebeck và hệ số phẩm chất, từ đó nâng cao hiệu suất nhiệt điện của vật liệu.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ năng lượng

Vật liệu perovskite với hiệu suất nhiệt điện cao có thể được ứng dụng trong các thiết bị chuyển đổi nhiệt thành điện năng, như các máy phát điện nhiệt điện. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu vật liệu perovskite

Nghiên cứu về vật liệu perovskite Ca1-xAxMn1-yByO3 và hiệu ứng nhiệt điện đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực vật liệu. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong công nghệ năng lượng và vật liệu.

5.1. Tóm tắt các kết quả nghiên cứu

Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu perovskite có tiềm năng lớn trong việc phát triển các thiết bị nhiệt điện hiệu quả. Việc pha tạp các nguyên tố đã chứng minh là một phương pháp hiệu quả để cải thiện tính chất của vật liệu.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Tương lai của nghiên cứu vật liệu perovskite sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế tạo mới và tối ưu hóa các điều kiện pha tạp. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và mở rộng ứng dụng của vật liệu trong các lĩnh vực khác nhau.