hế tạo và nghiên cứu các tính chất Điện và Quang Bi - Te

DAI HOC QUOC GIA HA N 0I
TRlTCJNG DAI HOC KHOA HOC TU NHIEN
* * • •
4* *1* •!» 4* »tf *1* *1»
fn n « « 1 rn n* »T» fT%
TEN DE T A I:
CHE TAO VA NGHIEN ClfU CAC TINH CHAT DIEN
VA QUANG CUA Bi-Te
MA SO: QT-05-12
DAl HO C Q U O C Q!A HA NOl
Tr?UNG TAM THONG flP'J THU VIEN
O T / *>? G ~

CHU TRI DE T A I: TS. NGO THU HUONG
CAC CAN BO THAM GIA:
PGS. TA DINH CANH
CAO HOC: DAM THI QUYEN
HA N 0I - 2005
1. B áo cáo tóm tắt
a.Tẽn đề tài : C h ế tạo và nghiên cứu các tính ch ất điện và quang của
d. T h ờ i g ia n th ự c h iện từ tháng 2 n ăm 2005 đến tháng 12 năm 2005.
e. M ụ c tiêu và nội dung nghiên cứu: m ục tiêu nghiên cứu của đề tài
là chế tạo đơn tinh thể Bi2T e3 và nghiên cứu các tính chất điện và quang của
hệ các m ẫu này. N goài ra chúng tôi còn khảo sát sự ảnh hưởng của ch ế độ
công nghệ đến cấu trúc nano của m àng Bi2T e3.
f. Các k ết q u ả đ ạ t được: K ết quả của đề tài bao gồ m 02 báo cáo khoa
học: 01 báo cáo tại hội nghị quốc tế về vật liệu từ các nước châu Á và 01 báo
cáo tại H ội nghị V ật lý toàn qu ốc năm 2005 (21-23/11/2005); 01 luận văn tốt
nghiệp năm 2005 và m ột phần trong luận văn cao học của sinh viên.
g. T inh hình kinh p h í của đề tài:
T ổng kinh ph í thực chi: 10.000.000 đồng

T rong đó - Từ ngân sách nhà nước: 0
- K inh phí Đ HQG : 10.000.000 đồng
- Vay tín dụng: 0
- Vốn tự có: 0
Bi-Te
(M ã SỐ : Q T -05-12).
b. C hủ trì đề tài : TS. N gồ T hu H ương
c. C ác cá n bộ tham gia: PGS.TS. T ạ Đ ình Cảnh
Cao học: Đ àm Thị Q uyên
KHOA QUẢN LÝ
(Ký và ghi rõ họ tên)
ĩ ‘ u
CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI
(Ký và ghi rõ họ tên)
y 1 C ơ QUAN CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI
PGS.TS 7 £ M . í o M i n i
2. Brief project report
a. Project title: (QT-05-12)
b. Project co-ordinator: Dr. Ngo Thu Huong
c. Co-operator: Prof.Dr. Ta Dinh Canh;
M aster student : Dam Thi Quyen
d. Duration: from 2005, February to 2005, December)
e. Objectives and scientific contents: The main object of this project is:
preparation the single crystals Bi2Te3 and studying the electrical, optical
properties o f these systems. However, we have obsearved the influence of the
technology on the nanostructure of Bi2Te3 thin films.
f. Results: The main result of this project is: W e have two
presentations: one presentation at the 2nd International Symposium on Advanced
Materials in Asia-Pacific Rim (April 1-4, 2005) and other one at the
Vietnanational Conference on Physics (November 21-23, 2005). One BSc. theis

had been finished and som e parts in the Ms. thesis.
g. Budget: 10.000.000 VND
4
1. Mục lục
Tranể
Lời mở đầu ^
Tổng quan về vật liệu 7
Các phương pháp thực nghiêm ị ị
Các kết quả và biện luận 15
Kết luận 29
Tài liệu tham khảo 30
5
2. LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, trên thế giới việc ứng dụng các vật liệu nhiệt điện trong các ngành
khoa học và kỹ thuật được phát triển rộng rãi. Nhiều hãng điện tử nổi tiếng đã ứng
dụng các vật liệu nhiệt điện trong sản phẩm của mình như đã ứng dụng vào chế tạo
các máy phát điện, máy làm lạnh nhiệt điện hay chế tạo các cảm biến dùng trong
các thiết bị hoàn chỉnh đo nhiệt từ xa v.v
Những nghiên cứu nhằm tìm ra các vật liệu mới có ý nghĩa rất quan trọng,
thông thường các họ vật liệu của (Bi,Sb)2Te3, Bi2(Se,Te)3 đang được nghiên cứu
và ứng dụng vì chúng có hệ số phẩm chất cao hơn các họ vật liệu khác ở nhiệt độ
phòng. Trong những năm gần đây, tình hình nghiên cứu và phát triển các vật liệu
nhiệt điện đã và đang diễn ra sôi nổi. Các nghiên cứu tập trung chủ yếu trên các vật
liệu khối, màng m ỏng, vật liệu có cấu trúc siêu mạng hay cấu trúc nano. Trong tất
cả các họ vật liệu nhiệt điện thì họ vật liệu Bi2Te3 có tích z r cao và đạt xấp xỉ 1 ở
nhiệt độ phòng. Do vậy việc nghiên cứu các tính chất điện và quang của vật liệu
nhiệt điện này là một nghiên cứu hết sức quan trọng và có ý nghĩa.
Trong đề tài này, chúng tôi đã:
1. Chế tạo đơn tinh thể Bi2Te3 và vật liệu màng Bi2Te3.
2. Nghiên cứu các tính chất cấu trúc, tính chất điện và quang của loại vật liệu

này.
Phần kết quả nghiên cứu chính của đề tài được chia thành ba phần:
Phần 1: Tổng quan về vật liệu .
Phần 2: Các phương pháp thực nghiêm.
P h ần 3: Kết quả nghiên cứu của đề tài và các thảo luận.
6
NỘI DƯNG CHÍNH.
Phần 1: Tổng quan về vật liệu
1.1. Vật liệu nhiệt điện
Để đánh giá một loại vật liệu nhiệt điện nào, người ta xét đến hệ số phẩm
chất của chúng trong một khoảng nhiệt độ. Vật liệu có hệ số phẩm chất lớn thì có
tính nhiệt điện tốt. Vật liệu Bi2Te3 và những hợp chất của nó có hộ số phẩm chất
lớn nhất và có nhiệt độ hoạt động trong khoảng nhiệt độ xung quanh nhiệt độ
phòng nên được ứng dụng trong những máy lạnh nhiệt điện. Vật liệu PbTe có độ
phẩm chất lớn và SiGe có độ phẩm chất nhỏ nhất nên được ứng dụng làm máy phát
điện nhiệt điện và có thể hoạt động ở nhiệt độ 1000 và 1300K.
1.2. Các vật liệu nhiệt điện hiện đại:
Các nghiên cứu về chất bán dẫn nhiệt điện hiện đại được bắt đầu từ sự quan
sát của Ioffe [1] khi nhận thấy chất bán dẫn được pha tạp có hiện tượng nhiệt điện
tốt nhất. Ông cũng đã có ý tưởng chế tạo những thiết bị tủ lạnh và máy phát nhiệt
điện.
Vào những năm 1957- 1965, các phép đo đạc đã được tiến hành trên các
chất bán dẫn, bán kim hoặc trên nhiều loại hợp kim. Các vật liệu được sử dụng
nhiều là Bi2Te3, Pb2Te3, Sb2Te3. Nhiều lý thuyết đã đồng thời được đưa ra trong
cùng khoảng thời gian đó và mang lại rất nhiều kết quả lý thú. Tuy vậy, những vật
liệu tốt nhất dùng để chế tạo các thiết bị nhiệt điện vẫn có công suất khá nhỏ.
Các vật liệu nhiệt điện hiện nay là các bán dẫn có nồng độ tạp rất cao.
Người ta đã tìm ra được sự phụ thuộc của z vào nồng độ phần tử tải và cho thấy ở
trong khoảng n = 1018 - 1019 cm '3 thì Zmax (Hình 1.1).
7

Hình 1.1: Sự phụ thuộc nồng độ phần tử tải của hệ sốSeebeck, độ dẫn điện, hệ số
công suất và độ dẩn nhiệt trong các chất cách điện, bán dẩn và kim loại
Thông thường, muốn tăng hệ số phẩm chất của vật liệu thì phải làm giảm hệ
số dẫn nhiệt K . Với chất cách điện có nồng độ hạt tải thấp do đó độ dẫn điện là
nhỏ, hệ số Seebeck là lớn nhưng tích số a 2o'lại thấp.
Đường a 2ơ có một cực đại ở vị trí giữa. Độ dẫn điện tăng lên cùng với
nồng độ hạt tải, trong khi đó hệ số Seebeck giảm. Tuy nhiên giá trị a 2ơ lại đạt
cực đại trong khoảng n = 1018- 10I9crn 3. Khảo sát của Ioffe khi nghiên cứu bán
dẫn pha tạp cho giá trị hệ số công suất lớn nhất và hệ số phẩm chất lớn nhất. Đó là
nguyên nhân tại sao hiện nay có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào vật liệu bán
dẫn có rất nhiều tính chất lý thú này.
1.3. Những nghiên cứu gần đây về các chất nhiệt điện:
Từ những năm 1960 trở lại đây có rất nhiều nghiên cứu về hiên tượng nhiệt
điện của các vật liệu bán dẫn loại n và loại p. N hiều nhà nghiên cứu đã cố gắng
tăng ZI' của vật. Có rất nhiều vật liệu nhiệt điện có hệ số phẩm chất rất cao ở nhiệt
độ cao đã được phát hiện (hình 1.2). Gần đây, những nghiên cứu của nhóm nghicn
8
cứu tại Nhật [2] đã tìm ra một họ vật liệu Biị 8Sbo.2Te3 +s đạt hệ số phẩm chất rất
cao. Đặc biệt là mẫu Bìị 8Sb02Te3 259 có giá trị z r = 1.2 ở nhiệt độ phòng và hệ số
Seebeck đạt 500ụV / K ở 200 K.
1.4"
! .2 *
3.0 ■
te °-8 ■
0 . 6 '
0.4 •
0 2 -
TAGS alloys
(Bi,ShjíT&3 alleys
Ãì / >

r % y (Pa,Sr:)iTí
n

:

T

jp»typ& roatß*i<i3:T
/
<r>»,Sr:)iTe.Sî>) aîioys
f \
/ h / ****» 30(1djW
/ V v’iT "
/ / ^
* y v * ' ;Oa,ỉn)Sb sỉtey
_________
ĩịs& i . ■
ü0 2D0 *400 ëoo 300 1000 120Û 1400 16GG
t—
N
3.4
ï
1.0
0.8
0.6
Temperature (K)
n- lypv. m a i s ta te '
" BiSbalbys
v i t ____
yî : '

y? /* ^ <PfcrS?íí<Ttí,Qíy «
0.4. * .
j (GaJnjSbaJtoyjÿ' ^ >5
Q.2Í- ./K ^■‘«'>P6Sii
_
___
i
___
i
n t

J


i~

>


X.

■—t

uO 200 40Ũ 600 800 Í000 1200 1400
Temptìrataro (K)
Hình 12: Độ phẩm chất của các chất nhiệt điện
Tuy nhiên, vật liệu Bi2Te3 là vật liệu gốc có hệ số Seebeck khá cao và được
áp dụng rất nhiều trong việc chế tạo các vật liệu bán dẫn loại n và p có tính chất
nhiệt điện cao. Do vậy, việc nghiên cứu vật liệu gốc này là rất cần thiết và quan
trọng để từ đó tìm ra các chất phù hợp để đạt được mục đích mà chúng ta yêu cầu.

1.4. Vật liệu Bi2Te3:
1.4.1. Cấu trúc của Bi2Te3:
Hợp chất Bi2Te3 là vật liệu được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau
như. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra vật liệu này có cấu trúc lục giác, thuộc
nhổm không gian R3m và được đưa ra ở hình 1.3 [3].
9
uy» dw Ktois
ỉ»'
eộvafen.'"áftcsm
Bi
ít*«***
te*
c»otaf;í
ữ
CÚHX&rit- /ữtKỊỹ^ỉì
ỉ*r
Hình 1.3: Cấu trúc của vật liệu Di2Teỉ
Ô mạng cơ sở hình lục giác được tạo bởi ba lớp năm các nguyên tử Te(1) -Bi-
Te(2) -Bi- Te(1). Tinh thể có tính chất dị hướng cơ học do hướng vuông góc với trục
c là các lớp nguyên tử liên kết với nhau bằng lực liên kết yếu Van der W aals ở các
liên kết Te(l) - Te(l). Những nguyên tử gần Te(ỉ) nhất là những nguyên tử Bi về một
phía, ba nguyên tử Te ở phía khác, nguyên tử Te(2) được bao quanh bởi sáu nguyên
tử Bi, vậy có hai loại nguyên tử Te trong tinh thể đóng vai trò khác nhau [4, 5].
Các hằng số mạng của ô lục giác cơ sở là a - 4.396 Â , c =30.442 Â
1.4.2. Câu trúc vùng năng lượng:
Có rất nhiều nghiên cứu về cấu trúc vùng năng lượng của hợp chất Bi2Te3.
Các nhà lý thuyết đã dùng các phương pháp như phương pháp giả thế, lý thuyết
10
hàm mật độ có tính đến tương tác spin quỹ đạo. Các tác giả đã tìm thấy rằng các
cực đại vùng hoá trị nằm ở sáu túi điện tử, và có tính dị hướng cao về khối lượng.

Về cấu trúc vùng dẫn có hai cực tiểu so với sáu cực đại vùng hoá trị. Bi2Te3 là bán
dẫn vùng cấm hẹp có Eg=0,15eV. Sáu hình ellipsoit ờ vùng hoá trị (upper valence
banđ) cách những vùng hoá trị dưới một khoảng AE =0.25meV. Tính toán lý thuyết
thì Eg=0.1 leV [6-8].
1.4.3. Tính chất nhiệt điện của vật liệu Bi2Te3
Rất nhiều nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu các tính chất nhiệt điện của vật
liệu Bi2Te3 loại n và loại p được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như:
nóng chảy vùng, ép nóng, phương pháp Bridgman [9, 10]. Các kết quả đã chỉ ra
rằng, hệ số Seebeck, độ dẫn điện của màng Bi2Te3 loại n (a n,ơn) và loại p (ccp,ơp)
có giá trị tương úng là a n=- 228 1-iV/K, ơn= 0.77 X 103Q '1cm '1 và a p= 81 P-V/K,
ơp=3.1 X 103 Q ^cm '1 [11-15].
11
Phán 2: Các phương pháp thực nghiệm
2.1. Chẽ tạo mẫu đơn tinh thể:
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phương pháp nuôi đơn tinh thể như:
phương pháp Czochralski, phương pháp Bridgman, phương pháp nóng chảy vùng.
Một phương pháp mới được chúng tôi áp dụng gần đây trong chế tạo đơn tinh thể
Bi2Te3 là phương pháp Gradient Freeze [16].
Hỗn hợp Bi2Te3 được chế tạo từ những kim loại Bi và Te ban đầu với độ
sạch 6N. Hỗn hợp Bi và Te được cho vào một ống thạch anh hàn kín hai đầu với áp
suất 1 X 10 5Toit. Hỗn hợp được cho nóng chảy ở 610 °c trong 12 giờ và sau đó
được làm lạnh về nhiệt độ phòng. Quá trình nóng chảy được lặp lại 3 lần và có sự
đảo đầu ống để tạo ra sự đồng nhất trong quá trình nung vật liệu.
Cuối cùng đơn tinh thể được nuôi bằng phương pháp Gradient freeze. Sơ đồ
nguyên lý của phương pháp này được đưa ra trên hình 2.1. Nhiệt độ của lò dưới
được giữ ở 610°c, lò trên là 770 °c . Quá trình nuôi đơn tinh thể được biểu diễn ở
hình 2.2. Nhiệt độ tối đa được giữ trong 6 giờ để làm nóng chảy mẫu trước khi thay
đổi gradient nhiệt độ để tao quá trình nóng chảy hoàn toàn của vật liệu. Trường
nhiệt độ được giữ 40K/cm . Tốc độ nuôi đơn tinh thể là 1.25 mm/hr.
o

Lò Trêũ.
____
o
o
o
X
o
o
o
o
Mâu _
o
o
o
o
o
o
o
z
Lò dưứi
Bỏ phân \
giữ mảu
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của chê'tạo mẫu
12
0 4

UpperT.C .
10 58 72
time (h)
Hình 2.2: Chương trình nuôi đơn tinh thểBi2Te3

Hình 2.3 là ảnh của thỏi đơn tinh thể Bi2Te3 đã được chế tạo sau quá trình
nuôi 72 giờ. Mẫu đơn tinh thể có đường kính 8 mm và dài 30mm.
2.2. Chế tạo mẫu màng Bi2Te3
Sau khi đã chế tạo thành công mẫu đơn tinh thể, chúng tôi có ý tưởng chế
tạo màng Bi2Te3 để nghiên cứu sự hình thành cấu trúc nano trong loại vật liệu này.
Màng được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt đơn giản. Ưu điểm của
phương pháp này là đơn giản, giá thành không cao lại dề vận hàn h. T uy nhiên
độ lặp lai của phương pháp này không cao và phụ thuộc rất nhiều vào điều
kiện c h ế tạo m àng, đó chín h là những tồn tại cần giải quyết.
Thiết bị trong sơ đồ 2.4 để chế tạo màng bằng phương pháp bốc bay nhiệt.
Màng Bi2Te3 được chế tạo từ 2 phương án khác nhau: từ kim loại Bi và Te được
Hình 2.3: Mẩu đơn tinh thểBi2Te3 sau 72 giờ nuôi.
13
nghiền trộn theo tỷ lệ hợp phần nhất định và từ hỗn hợp Bi2Te3 đã được nung nóng
chảy.
§11
• • ; •
mmề.
Hình 2.4: Thiết bị trong phương pháp bốc bay nhiệt
2.3. Đo các tính chất của mảu:
Để nghiên cứu các tính chất cấu trúc và tính chất điện, quang của vật liệu Bi2Te3.
Chúng tôi đã tiến hành đo các phép đo để nghiên cứu các tính chất:
- Nghiên cứu tính chất cấu trúc (Phổ XRD, SEM).
- Nghiên cứu tính chất điện (phép đo điện trở suất, phép đo hệ số Sêbeck,
phép đo Hall).
- Nghiên cứu tính chất quang (đo phổ Raman).
14
Phần 3 : Các kết quả và biện luận
3.1. Tính chất cấu trúc, tính chất điện và quang của vật liệu khối:
3.1.1. Tính chất cấu trúc

3.1.1.1. Phổ XRD:
500
400
£ 300
c
3
ệ
03
%
200
c
CL>
100
Bi2Te3
Te 0
20 40 60 80 1 00
20 (deg.)
Hình 3,1 Phổ nhiễu xạ tia Xcủa mẫu Bi2Te3 tại 3 vị trí.
Hình 3.1 là ảnh nhiễu xạ tia X của mẫu đơn tinh thể Bi2Te3 tại 3 vị trí cuối,
giữa và vị trí đầu của thỏi tinh thể ta thấy mẫu khá đồng nhất và đơn pha. Khi so
sánh với phổ XRD của vật liệu Bi2Te3 chuẩn và Te ta thấy mẫu của chúng tôi chế
tạo là đơn pha, trên phổ không xuất hiện một đỉnh nào lạ. Hằng số mạng được tính
thông qua phép phàn tích Rietveld. Kết quả thu được: a = 4.3778 Â; c = 30.4192 Ẳ
15
3.1.1.2. Ảnh SEM:
7 y
a) Anh SEM tại vị trí cuối
? ? ,
b) Anh SEM tại vị trí giữa c) Anh SEM tại vị trí đáu
Hình 3.2. Ảnh SEM của mẫu Bi2Te3 tại 3 vị trí

Hình 3.2 là ảnh bề mặt của mẫu chụp tại 3 vị trí cuối, giữa và vị trí đầu của
thỏi đơn tinh thể. Nhìn vào ảnh bề mặt ta thấy mẫu là khá đồng nhất và không thấy
hình thành những vùng có cấu trúc khác. Tuy nhiên, mẫu ở vị trí giữa sẽ là đồng
nhất hơn cả. Do vậy, tất cả các mẫu được dùng để đo các tính chất nhiệt điện
chúng tôi đều dùng mẫu được cắt tại một vị trí giữa của thỏi đom tinh thể.
3.1.2. Tính chất nhiệt điện:
Tính chất nhiệt điện của mẫu đơn tinh thể được đo trên các mẩu khối có
kích thước 2 X 2 X 20 m m3, được cắt từ phần giữa của thỏi đơn tinh thể.
3.1.2.1. Hệ sô Seebeck:
Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số Seebeck được đo trong khoảng nhiệt từ 5 K
đến 300 K đươc đưa ra ở hình vẽ 3.3.
16
Nhiệt độ (K)
Hình 3.3: Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số Seebeck của mẫu dơn tinh thể Bi2Tes
- Từ hình trên ta thấy hệ số Seebeck của mẫu âm, vật liệu là bán dẫn
loại n.
- Hệ số Seebeck giảm theo sự tăng của nhiệt độ.
- Trong khoảng nhiệt độ 260K đến nhiệt độ 300K, hệ số nhiệt điện của
mẫu biến đổi không nhiều và xung quanh giá trị a = - 250 ¡J.V/ K . Khi so sánh
với giá trị hệ số Seebeck của một số mẫu Bi2Te3 được chế tạo bằng các phương
pháp khác đạt giá trị xung quanh - 250 ¡J.V/ K , điều đó chứng tỏ mẫu đơn tinh thể
mà chúng tỏi chế tạo được có giá trị a khá cao so với các giá trị mà các tác giả
khác công bố [17, 18].
ỌAI HOC QUỐC GIA HÀ NÔI
TRUNG T M / ^h Ç N G ’ IM 'Hư viền
17 D T / Ố T £
3.1.2.2. Điện trở suất:
Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất của mẫu Bi2Te3 được biểu điễn trên hình
3.4.
£

/- SJ
*>0
1-H
< ĩ>
N h iệ t đ ộ (K )
///V ỉ/ỉ 3.4: Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất của mẫu đơn tinh thể Bi2Te3
- Từ hình trên ta thấy điện trở suất của mẫu tăng theo nhiệt độ. Trong vùng
nhiệt độ cỡ 250K, ta thấy có xuất hiện một cực đại nhỏ sau đó lai tiếp tục tăng
chậm đến giá trị nhiệt độ phòng. Ta có thể giải thích sự xuất hiện của đỉnh này là
do ở trong khoảng nhiệt độ này, vật liệu là bán dẫn suy biến [19].
- Nhiệt độ T = 300K, điện trở suất của vật liệu đạt giá trị 1.5 m i? cm .
- Khi T giảm trong khoảng nhiệt độ thấp p giảm đến giá trị p ữ. Tương
ứng với công thức tính điện trở suất của mẫu;
p Po ^ p phonon ^ pmag
18
- Điện trở suất tăng theo nhiệt độ tức là độ dẫn điện giảm theo nhiệt độ, đây
là một sự bất lợi khi xét tính chất nhiệt điện của vật liệu. Nhưng ở khoảng nhiệt độ
từ độ 250K đến khoảng gần 300K điện trở suất thay đổi ít, đây cũng là một thuận
lợi khi sử dụng vật liệu Bi2Te3 trong những ứng dụng máy làm lạnh ở nhiệt độ
phòng. Trong khoảng nhiệt độ 250K < T < 300K ta có:
3.1.2.3. H ệ số côn g suất
Từ sự phụ thuộc của hệ số Seebeck và điện trở suất vào nhiệt độ ta tính
được sự phụ thuộc hệ số công suất của mẫu vào nhiệt độ (hình 3.5). Hệ số công
suất của vật liệu được tính theo công thức:
P.F = a2/p
Từ đó ta tính được sự phụ thuộc của hệ số cống suất của vật liệu vào nhiệt
sự phụ thuộc của P.F vào T
Nhiệt độ (K)
Hình 3.5: Hệ số công suất của mẫu Bi2Te¡phii thiiộc vào nhiệt độ
19

Nhìn vào đồ thị ta thấy, giá trị hệ số công suất tăng khi nhiệt độ tăng và đạt
giá trị cao nhất là 40 ụ W c m 'lK ‘2 ở tại 150 K. Khi nhiệt độ tiếp tục tăng thì giá trị
của hệ số công suất chỉ biến thiên xung quang giá trị này. Điều này cũng có thể
giải thích được là do tại những giá trị nhiệt độ cao, hệ số Seebeck tăng khồng nhiều
đồng thời điện trở suất cũng tăng do đó tỷ số a 2/p hầu như không đổi theo nhiệt
độ. Do chúng tôi chưa có điều kiện để đo độ dẫn nhiệt nên chưa tính được hệ số
phẩm chất cũng như tích số zr của vật liệu Bi2Te3 m à chúng tôi tạo được. Nhưng
khi so sánh giá trị của hệ số công suất của mẫu chúng tôi tạo được thì thấy giá trị
chúng tôi thu được là cao hơn so với giá trị của các công bố trước đây quãng
25 ỊiW cm 'lK -2 (ở nhiệt độ phòng) [20].
3.I.2.4. Hiệu ứng Hall
Để xác nóng độ hạt tải của đơn tinh thể Bi2Te3, chúng tôi thực hiện phép đo
Hall.
20
Hình 3.6 biểu diễn phổ Ram an của đơn tinh thể Bi2Te3 theo z(xx)z và
z(xy)z . Từ phổ Ram an ta thấy trong phép đo z(xx)z thu được ba đỉnh tương ứng
với các số sóng 64, 101 và 138 cm"1. Ba đỉnh này ứng vói các loại phonon A 'lg, E2g
và A2lg. Các đỉnh có số sóng cỡ 101 cm'1 ( E2g) có cường độ cao nhất và bề rộng
nhỏ nhất. Trong khi đó các đỉnh có số sóng cỡ 138 cm'1 (A2lg) có cường độ thấp
nhất và bề rộng của phổ rộng hơn. Trong phép đo theo z(xy)z phổ thu được duy
nhất một đỉnh ứng với E2g. Kết quả đo chứng tỏ rằng mẫu chúng tôi chế tạo ra có
độ đồng nhất cao.
Hình 3.6: PhổRaman của đơn tinh thểBi2Te3.
Dựa vào phổ Ram an chúng tôi tính được năng lượng phonon của Bi2Te3 đối
với các phép đo theo z(xx)z và z(xy)z . Kết quả tính năng lượng phonon /100 hc
(em '1) được biểu diễn trong bảng sau:
21
Dựa vào phổ Raman chúng tôi cũng tính được nửa độ rộng của peak (em'1) trong
từng trường hợp như:
22

3.2. Các tính chất của m àng Bi2Te3
3.2.1. Tính chất cấu trúc của màng Bi2Te3được chế tạo từ Bi, Te kim loại:
Hình 3.6 là phổ XRD của màng Bi2Te3 được tạo từ hỗn hợp hai kim loại Bi,
Te. Từ phổ XRD cho thấy rất rõ mẫu không hoàn toàn đơn pha. Khi so sánh với
các phổ chuẩn của Te và Bi2Te3 thì thấy các'đinh phổ hầu như trùng với các đỉnh
của Te. Do đó pha Te là pha chính, còn pha BỈ2Te3 chỉ chiếm một phần nhỏ.
Kết quả của phép phân tích Rietveld cũng chỉ ra rằng tỷ lệ phần trăm khối
lượng giữa pha Te:Bi2Te3 = 80:20. Điều đó cho thấy mới chỉ có một phần nhỏ của
Bi2Te3 được tạo thành từ quá trình bốc bay. Kết quả này cũng hoàn toàn phù hợp
với kết quả phân tích nhiệt được khảo sát.
Hình 3.7: Phổ XRD của màng Bỉ2 Ĩe 3 được tạo ra từ hỗn hợp kim loại Bi, Te.
ở đây, ta có thể giải thích trường hợp pha Te chiếm đa số khối lượng ứong
màng được tạo ra từ hai kim loại Bi, Te như sau: hỗn hợp bột đưa vào thuyền gồm
hai kim loại Bi, Te riêng biệt (mặc dù đã được cân theo tỳ lệ hợp phần Bi;Te =
2:3) nhưng đo nhiệt độ nóng nóng chảy và bay hơi của hai kim loại là khác nhau
nên khi ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tạo thành Bi2Te3 thì có m ột phần các kim loại
23
đã bốc bay nên ừong thành phần của màng được tạo bám trên đế Si sẽ gồm pha
Bi2Te3 vàpha Te.
Ảnh SEM của màng Bi2Te3 được chế tạo từ hỗn hợp bột hai kim loại Bi và
Te: T = 1000 °c, t = 30 phút, nhiệt độ đế là 555°c, áp suất khí Ar vừa (hình 3.8 a,
b); Như ta đã quan sát thấy ảnh SEM của mẫu màng Te có dạng hỉnh cột của
những lục giác cũng giống như ảnh chúng ta quan sát được dưới đây (hình 3.8 c).
Điều này cho thấy cấu trúc màng tạo ra trong trường hợp này chủ yếu là do Te
quyết định. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả của phép phân tích Rietveld.
a) b) c)
Hình 3.8: Ảnh SEM ở nhiệt độ đ ể 550 °c của màng Bi2Te3 (a, b)
và (c) của Te kim loại
3.2.2. Tính chất cấu trúc của màng Bi2Te3 được tạo thành từ hỗn hợp Bi2Te3
đưọ*c nung nóng chảy.

Từ kết quả nghiên cứu ờ phần trên, chúng tôi đã tìm cách thay đổi nguồn vật
liệu ban đầu để tạo được màng đơn pha và nghiên cứu sự ảnh hường cùa chế độ
công nghệ tới các tính chất cấu trúc của chúng.
* Phổ XRD của màng Bi2Te3.
Phổ XRD của màng này được biều diễn trên hỉnh 3.9. So sánh phổ nhiễu xạ
của màng sau bốc bay với phổ nhiễu xạ của vật liệu trước bốc bay và phổ
chuẩn của BỈ2 Te3 ta thấy có sự dịch chuyển đỉnh (0 0 15) về phía góc lốm. Có
thể sự dịch chuyển này một phần là do đế Si gây nên? Nhưng ờ đây ta thấy hầu
24
như không xuất hiện các đỉnh lạ chứng tỏ mẫu màng chúng tôi tạo được là đơn
pha. Bằng phép phân tích Rietveld đã cho kết quả hằng số mạng là a = 4.3778
A° và c = 30.4421 A °. Kết quả này khá phù hợp với kết quả lý thuyết cũng như
một số kết quả thực nghiệm đã báo cáo.
ở giai đoạn đầu của quá trình bốc bay, do tốc độ bốc bay của Te lớn hơn
của Bi nên lượng Te trong màng mỏng bị hao hụt so với thành phần hợp thức của
vật liệu Bi2Te3 . Như vậy nếu sử dụng đơn tinh thể khối Bi2Te3 thuần tuý để chế tạo
màng mỏng sẽ găp phải tình trạng thiếu Te làm cho màng không còn đơn pha
Bi2Te3 nữa. Chính điều này là lý do của việc bù thêm lượng Te dư khi tổng hợp
chất Bi2Te3 và nó được xem như ỉà pha tạp Te vào hợp chất Bi2Te3 , nghĩa ỉà không
làm thay đổi cấu trúc pha.
Như vậy việc bù thêm Te vào hợp chất Bi2Te3 đã khắc phục đươc sự thiếu
hụt Te trong quá trình tạo màng Bi2Te3 . Nhưng lượng Te bù vào hợp chất Bi2Te3 là
bao nhiêu thì thích hợp? Bằng các kết quả thực nghiệm cho thấy lượng Te dư là 5%
khối lượng thì độ hợp thức tốt nhất.
25
2e (deg.)
Hình 3.9 : Phổ XRD của màng BiĩTeỊ sử dụng BiĩTe3 đã được nung nóng chảy.
3.2.5.2. Ảnh SEM của màng Bi2Te3 sử dụng Bi2Te3 đã được nung nóng
chảy:
Trong phần này, chúng tôi trình bày về cấu trúc của màng Bi2Te3 được chế

tạo từ Bi2Te3 đã được nung nóng chảy ở các chế độ công nghệ khác nhau.
Hỉnh 3.10 a, b là ảnh SEM của mẫu được tạo theo chế độ T = 900°c, thời
gian giữ nhiệt là 30 phút, nhiệt độ đế bằng 550°c và 650°c tương ứng. Khi nhiệt
độ đế bằng 550°c, ta thấy xuất hiện những dây có kích thước hơn 200 nm nhưng
mật độ chưa nhiều. Khi nhiệt độ đế bằng 650°c, cấu trúc hạt xuất hiện, điều đó
cho thấy ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của Bi2Te3 thì chúng lại kết tinh
trờ lại đưới dạng cấu trúc hạt thông thường. ,
Nhìn vào kết quả ảnh SEM của màng ở 900°c khi nhiệt độ đế bằng 550°c
chúng ta thấy cấu trúc nano dây đã hinh thành. Điều đó gợi ý cho chúng tôi thay
đổi chế độ công nghệ chế tạo có thể sẽ thu được kết quả khả quan hơn.
26