Ảnh hưởng của điều kiện chế tạo lên sự hình thành tinh thể bi2te3 bằng phương pháp lắng đọng điện hóa

iv

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIỆT ĐIỆN 5
1.1 Hiện tượng và hiệu ứng nhiệt điện 5
1.1.1 Hiệu ứng Seebeck 5
1.1.2 Hiệu ứng Peltier 7
1.1.3 Hiệu ứng Thomson 7
1.2 Các tính chất nhiệt điện cơ bản 8
1.2.1 Độ dẫn điện (σ) 8
1.2.2 Hệ số dẫn nhiệt (κ) 9
1.2.3 Hệ số Seebeck (S) 10
1.2.4 Nhiệt độ trung hòa và sự đảo ngược nhiệt độ 10
1.2.5 Hệ số phẩm chất (Figure of Merit) 11
1.2.6 Năng lượng nhiệt 12
1.3 Một số lý thuyết về nhiệt điện 12
1.4 Ứng dụng của máy nhiệt điện. 13
1.5 Các loại vật liệu nhiệt điện 17
1.5.1 Vật liệu nhiệt điện kinh điển 18
1.5.2 Vật liệu Bi
2
Te
3
19
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 23
2.1 Phương pháp Vol-Ampe vòng (Cyclic Voltammetry - CV) 23
2.2.1 Phương pháp bốc bay chân không 26
2.2.2 Phương pháp chế tạo màng bằng phún xạ catot (Cathode Sputtering) 27

2.2.3 Phương pháp chế tạo màng bằng lắng đọng điện hóa 27
2.3 Các phương pháp phân tích mẫu. 30


v

2.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM). 30
2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). 32
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35
3.1 Ảnh hưởng của điều kiện lắng đọng lên màng Bi
2
Te
3……………………………………
37

3.1.1 Ảnh hưởng của dung môi hòa tan 35
3.1.2 Các loại điện cực 36
3.2 Kết quả đo Vol-Ampe vòng (CV) 36
3.2.1 Đặc trưng Vol-Ampe vòng của Ethylene glycol (EG). 36
3.2.2 Đặc trưng Vol-Ampe vòng của EG chứa 0,05 M Bi(NO
3
)
3
38
3.2.3 Đặc trưng Vol-Ampe vòng của dung dịch EG chứa 0,05 M TeCl
4
. 41
3.2.4 Đặc trưng Vol-Ampe vòng của dung dịch EG chứa 0,05 M Bi(NO
3
)

3
và
0,05 M TeCl
4
. 44
3.3 Kết quả tạo màng 47
KẾT LUẬN 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO 52



vi

Các ký hiệu & từ viết tắt
Q

: Dòng nhiệt Peltier

: Hệ số Seeback ở μV/K

: Hệ số Seeback ở μV/K
2

CV: Vol-Ampe vòng
E: Cường độ điện trường
E: Suất điện động
EG: Ethylene glycol
Q: Nhiệt lượng
S: Hệ số Seebeck
T: Nhiệt độ

V: Điện thế
ZT: hệ số phẩm chất (Figure of Merit)
θi: Nhiệt độ đảo ngược
θn: Nhiệt độ trung hòa
κ: Hệ số dẫn nhiệt
μ: Hệ số Thomson
ρ: Điện trở suất











vii

Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Sơ đồ cặp nhiệt điện. 5
Hình 1.2. Mô hình hiệu ứng Thomson. 8
Hình 1.3. Parabol sự biến đổi của suất điện động với gradient nhiệt độ. 11
Hình 1.4. Ảnh của một máy phát nhiệt điện sản xuất năng lượng (Weiling L. và
cộng sự., 2004) [23]. 14
Hình 1.5. Ảnh của một máy phát nhiệt điện sản xuất bởi Trung tâm bảo tồn năng
lượng Nhật Bản (the Japanese Energy Conservation Centre), sử dụng nhiệt thải là
nguồn năng lượng để tạo ra mật độ điện 100 kW/m
3

(Weiling và cộng sự., 2004)
[23]. 15
Hình 1.6. Hình thu nhỏ của máy phát điện (Basel Ismail và cộng sự, 2009)[8]. 16
Hình 1.7. Sơ đồ của máy phát nhiệt điện vi mô có thể được sử dụng để chuyển đổi
nhiệt thải thành điện năng để điều khiển một con chip điện tử (Fleurial JP và cộng
sự, 2002)[5]. 16
Hình 1.8. Sơ đồ của máy phát nhiệt điện vi mô có thể được sử dụng để chuyển đổi
nhiệt thải thành điện năng để điều khiển một con chip điện tử (Glatz W. và cộng
sự, 2006)[6] 17
Hình 1.9. Mô tả sự phát triển của ZT theo thời gian. Vật liệu nhiệt điện làm mát
được thể hiện bằng dấu chấm màu xanh, vật liệu phát điện thể hiện bằng dấu tam
giác đỏ. 19
Hình 1.10. Hình dạng và cấu trúc của tinh thể Bi
2
Te
3
(Bi - đỏ; Te – vàng). 21
Hình 1.11. Sơ đồ biểu diễn phương pháp tổng hợp dây nano Bi
2
Te
3
. 22

Hình 2.1. Mô hình tổng quan của thí nghiệm CV……………… 23
Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng-thế trong quá trình khử. 24
Hình 2.3. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng-thế trong quét thế vòng. 25
Hình 2.4. Đặc trưng Vol-Ampe vòng của dung dịch H
2
SeO
3

nồng độ 20 mM 25
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lí hệ bốc bay chân không. 26
Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm lắng đọng điện hóa tạo màng Bi
2
Te
3.
29
Hình 2.7. Thiết bị lắng đọng điện hóa. 30
Hình 2.8. Sơ đồ cấu tạo của một kính hiển vi điện tử quét. 31
Hình 2.9. Thiết bị SEM Jeol 5410 LV tại Đại học Quốc Gia Hà Nội. 32
Hình 2.10. Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của phương pháp nhiễu xạ tia X. 33
Hình 3.1. Dung dịch Bi(NO
3
)
3
kết tủa khi hòa với nước cất…………………… 35
Hình 3.2. Đặc trưng Vol–Ampe vòng của EG (C
2
H
6
O
2
) 37
Hình 3.3. Đặc trưng Vol–Ampe vòng của EG (C
2
H
6
O
2
) chứa 0,05 M LiClO

4
38


viii

Hình 3.4. Đặc trưng Vol–Ampe vòng của EG (C
2
H
6
O
2
) chứa 0,05 M Bi(NO
3
)
3
. 38
Hình 3.5. Đặc trưng Vol–Ampe vòng của EG (C
2
H
6
O
2
) chứa 0,05 M Bi(NO
3
)
3
ở
nhiệt độ 50
o

C. 39
Hình 3.6. Đặc trưng Vol-Ampe vòng của dung dịch EG chứa 0,05 M Bi(NO
3
)
3
và
0,05 M LiClO
4
ở nhiệt độ phòng. 40
Hình 3.7. Đặc trưng Vol-Ampe vòng của dung dịch EG chứa 0,05 M Bi(NO
3
)
3
và
0,05 M LiClO
4
ở nhiệt độ 50
0
C. 41
Hình 3.8. Đặc trưng Vol-Ampe vòng của dung dịch EG chứa 0,05 M TeCl
4
ở nhiệt
độ phòng. 42
Hình 3.9. Đặc trưng Vol-Ampe vòng của dung dịch EG chứa 0,05 M TeCl
4
ở nhiệt
độ 50
0
C. 42
Hình 3.10. Đặc trưng Vol-Ampe vòng của dung dịch EG chứa 0,05 M TeCl

4
và
0,05 M LiClO
4
ở nhiệt độ phòng. 43
Hình 3.11. Đặc trưng Vol-Ampe vòng của dung dịch EG chứa 0,05 M TeCl
4
và
0,05 M LiClO
4
ở nhiệt độ 50
o
C. 44
Hình 3.12. Đặc trưng Vol-Ampe vòng của dung dịch EG chứa 0,05 M Bi(NO
3
)
3
,
0,05 M TeCl
4
và 0,05 M LiClO
4
ở nhiệt độ phòng. 45
Hình 3.13. Đặc trưng Vol-Ampe vòng của dung dịch EG chứa 0,05 M Bi(NO
3
)
3 ,
0,05 M TeCl
4
và 0,05 M LiClO

4
ở nhiệt độ 50
o
C. 46
Hình 3.14. Đặc trưng Vol-Ampe vòng của các chất 46
Hình 3.15. Màng Bi
2
Te
3
sau khi lắng đọng 47
Hình 3.16. Phổ EDS của màng Bi
2
Te
3
được lắng đọng tại thế - 0,25 V, nhiệt độ
50
0
C trên đế vàng. 48
Hình 3.17. Phổ EDS của màng Bi
2
Te
3
được lắng đọng tại thế - 0,25 V, nhiệt độ
70
0
C trên đế vàng. 49
Hình 3.18. Phổ nhiễu xạ tia X của màng Bi
2
Te
3

. 49
Bảng 4.1.Thành phần cấu tạo của màng Bi
2
Te
3
được xác định bằng EDS…… 48


1

MỞ ĐẦU

Nguồn năng lượng trên Trái Đất không phải là vô tận, các nguồn năng lượng
phục vụ chủ yếu cho nhu cầu của con người được khai thác có nguồn gốc từ hóa
thạch dạng than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên… đang ngày càng cạn kiệt. Thế kỷ 21, thế
giới bước vào kỷ nguyên của khoa học kỹ thuật, công nghiệp, công nghệ sinh
học… các nguồn năng lượng lại càng trở nên quan trọng. Tài nguyên nhiên liệu và
năng lượng trở thành nguồn lực cơ bản đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội
của các quốc gia, quốc gia nào có nguồn tài nguyên này là cơ sở tiền đề tốt nhất cho
đáp ứng cho sự phát triển. Đây cũng chính là một trong số những nguyên nhân gây
nên tình trạng bất ổn về xã hội và chính trị. Điển hình là việc tranh giành các mỏ
dầu ở các nước Trung Đông, hay gần đây là việc Trung Quốc đặt giàn khoan HD
981 trái phép trong vùng đặc quyền kinh tế của Việt Nam. Bởi vậy các vấn đề về
môi trường, khí hậu, năng lượng trở thành mối quan tâm hàng đầu của các nước
trên thế giới. Đặc biệt là sự nóng lên toàn cầu và sự hạn chế của các nguồn năng
lượng đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm hiểu và phát triển các dạng năng lượng
mới như: năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân, năng lượng thuỷ triều,
gió…những dạng năng lượng bền vững. Theo báo cáo đầu tiên về năng lượng sạch
toàn cầu, Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA) nhận định, thế giới đã đạt được thành
công đầy ấn tượng trong việc phát triển công nghệ năng lượng sạch trên toàn cầu.

IEA nhấn mạnh, những phát triển then chốt là nghiên cứu, phát triển và khai thác
các công nghệ năng lượng sạch, bao gồm năng lượng tái sinh, năng lượng hạt nhân,
nhiêu liệu sinh học, hiệu quả năng lượng, phương tiện vận tải chạy điện, thu và trữ
khí CO
2
cũng như hiện trạng triển khai các nguồn năng lượng trên toàn cầu. Kể từ
năm 1990, tổng công suất phát điện từ nguồn năng lượng tái sinh đã tăng trung bình
hàng năm 2,7 %. Tăng nhanh nhất là điện mặt trời (điện năng phát ra tăng bình
quân hàng năm từ pin mặt trời (photovoltaic – PV) là 60% và từ các nhà máy nhiệt
điện tập trung từ mặt trời (concentraing solar thermal power – CSP) là 43 %, kế đến
là điện gió: 25% và nhiên liệu sinh học tăng 17% hàng năm). Dù năng lượng tái
sinh có nhược điểm là hiệu suất khai thác kém và không ổn định . Ví dụ như: năng
lượng mặt trời chỉ khai thác vào ban ngày, thủy điện phải có đủ nước và gió không


2

phải lúc nào cũng đủ mạnh để chạy các turbine … nhưng năng lượng tái sinh vẫn
đang được đầu tư nghiên cứu, khuyến khích sử dụng trên toàn thế giới nhằm giảm
phụ thuộc vào dầu mỏ, giảm ô nhiễm môi trường. Ít nhất 10 nước trên thế giới đã
có thị trường quy mô lớn trong nước về năng lượng mặt trời, năng lượng gió. Năng
lượng gió đã có sự phát triển đầy ấn tượng trong thập kỷ qua với tổng công suất
phát điện trên toàn cầu cuối năm 2010 đạt 194 GW, tăng 10 lần so với mức 17 GW
vào cuối những năm 2000. Ngoài ra, năng lượng nhiệt cũng là một nguồn năng
lượng đáng chú ý bởi sự đa dạng về nguồn cung cấp đầu vào cho các thiết bị nhiệt
điện. Các nhà khoa học đang cố gắng phát triển các công nghệ mới có thể tận dụng
các nguồn nhiệt nhỏ. Điển hình như cơ thể chúng ta phát ra nhiệt độ khác với nhiệt
độ của môi trường, máy sưởi, ô tô, máy điều hòa, các máy công nghiệp, các lò
đốt…Đó là các nguồn cung cấp nhiệt nhỏ lẻ, ít được quan tâm. Tuy nhiên nếu tận
dụng và gom nhặt các năng lượng hao phí này để tái sử dụng là một cách giải quyết

đáng kể cho nhu cầu năng lượng của loài người tương lai.
Việc chuyển đổi nhiệt thành điện đã được giới thiệu bởi Seebeck năm 1817
với một số vật liệu như sắt, đồng, chì và Bismuth (Bi) vv…[13]. Ông cũng khám
phá một chuỗi dài các vật liệu như vậy được gọi là chuỗi Seebeck để chọn vật liệu
nhiệt điện cần thiết trên cơ sở mật độ điện tử. Việc lắp ráp hai vật liệu khác nhau
(nối hai vật liệu bởi các dây dẫn, được hàn kín ở hai đầu) và có sự chênh lệch nhiệt
độ giữa hai mối hàn được gọi là cặp nhiệt điện. Thông thường một mối hàn được
giữ ở nhiệt độ không đổi, còn mối hàn còn lại đặt trong môi trường cần đo. Chúng
tạo ra một điện thế nhỏ giữa hai mối nối của cặp nhiệt điện. Đây có thể coi là một
mô hình máy phát điện quy mô nhỏ. Các mô hình nhiệt điện chủ yếu dựa trên ba
hiệu hứng nhiệt điện chính là hiệu ứng Seebeck, Peltier, và Thomson. Tuy đã được
khám phá ra từ thế kỷ 19, nhưng tại thời điểm đó, các nhà khoa học không tìm kiếm
được vật liệu thích hợp cho quy mô máy phát nhiệt điện. Đa số các vật liệu đều có
hệ số nhiệt điện khác không, chúng vẫn là quá nhỏ để có thể sử dụng. Tìm kiếm
một vật liệu có chi phí thấp cũng là một vấn đề. Trải qua quá trình phát triển gần
200 năm, đến thế kỷ 21 công nghệ nano ra đời đã cho thấy nhiều vật liệu thấp chiều


3

như Bi
2
Te
3
có hệ số nhiệt điện cao và khả thi cho việc ứng đụng các máy nhiệt điện
vào thực tế.

Ngày nay, vật liệu nhiệt điện dần đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật
chuyển đổi năng lượng, chúng có những ưu điểm [13,19,20]:
- Công nghệ này là ổn định và hoàn toàn không gây bất kỳ loại ô nhiễm

môi trường và những tác dụng ngoại cảnh.
- Hoạt động của nó là dễ dàng và không có sử dụng bộ phận chuyển động
nên không gây tiếng ồn.
- Tất cả các vật liệu nhiệt điện không có tính phóng xạ độc hại và là một
trong những đặc điểm cần thiết của hệ thống sinh thái thân thiện.
- Vật liệu nhiệt điện rất đa dạng, có sẵn (tất cả các kim loại, phi kim loại và
chất bán dẫn); có nghĩa là vật liệu nhiệt điện có thể được lựa chọn theo thứ tự các
yêu cầu về chi phí, kích thước, điều kiện vật lý và hóa học vv .
- Các con chip điện tử có kích thước nhỏ cũng có thể được tạo ra bằng công
nghệ nano và công nghệ màng mỏng.
- Các nguồn nhiệt điện rất linh hoạt và có khả năng hoạt động ở nhiệt độ
cao.
Đại lượng đặc trưng cho hiệu suất của vật liệu chuyển hóa năng lượng
nhiệt thành năng lượng điện là hệ số phẩm chất (figure of merit), Z. Vật liệu có
khả năng ứng dụng trong thực tế phải có ZT >1 và hoạt động ổn định trong vùng
nhiệt độ làm việc. Các vật liệu có hệ số phẩm chất đáp ứng yêu cầu thực tế là
Bi
2
Te
3
, Sb
2
Te
3
, Sb
2
Se
3
được sử dụng rộng rãi ở nhiệt độ phòng. Từ những năm
1960 trở lại đây, có rất nhiều nhóm các nhà khoa học đi sâu vào nghiên cứu hiện

tượng nhiệt điện của các vật liệu bán dẫn loại n và loại p. Những nhà nghiên cứu
đã cố gắng tìm cách làm tăng hệ số phẩm chất Z cũng như tích số ZT của vật liệu ở
nhiệt độ cao và nhiệt độ phòng bằng nhiều phương pháp chế tạo khác nhau cũng
như thay đổi thành phần của vật liệu. Tìm cách đưa chúng vào ứng dụng ở các điều
kiện, kích thước khác nhau. Nhiều vật liệu nhiệt điện có hệ số phẩm chất cao đã
được tìm ra. Một trong những vật liệu được lựa chọn hàng đầu đó là Bi
2
Te
3
dạng
màng nano cho kết quả khả quan về chỉ số chất lượng (ZT
max
~1,5). Tại bộ môn


4

Vật lí Nhiệt độ thấp Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – ĐHQGHN, nhóm
chúng tôi cũng đã tìm hiểu ảnh hưởng của điều kiện chế tạo nên việc hình thành
tinh thể Bi
2
Te
3
bằng phương pháp lắng đọng điện hóa. Bi
2
Te
3
là một chất bán dẫn,
một hợp chất của bismuth (Bi) và tellurium (Te) còn được gọi là bismuth (III)
telluride. Trong tự nhiên Bi

2
Te
3
rất hiếm và thường tồn tại ở dạng hợp chất của Bi-
Te-S-(Se). Để tổng hợp Bi
2
Te
3
ta có thể cho bismuth và tellurium vào trong một
ống thạch anh ở điều kiện chân không (nếu bị rò rỉ có thể phát nổ) và làm nóng đến
800
o
C trong lò nung (phương pháp Gradient – Freeze). Tuy nhiên các phương pháp
thông thường rất tốn kém và không chế tạo được Bi
2
Te
3
dưới dạng màng mỏng. Để
giải quyết các vấn đề trên thì nhóm chúng tôi sử dụng phương pháp lắng đọng điện
hóa. Một phương pháp đã được các nhóm nghiên cứu sử dụng để chế tạo các loại
màng mỏng. Do có ưu điểm cơ bản là đơn giản, tiêu tốn ít năng lượng, nguyên liệu
cho sản phẩm là các màng đủ tiêu chuẩn. Trong luận văn tôi đi tìm hiểu về ảnh
hưởng của các điều kiện chế tạo tinh thể Bi
2
Te
3
như : Dung môi hòa tan Bi, Te và
Bi
2
Te

3
, thế làm việc của các điện cực, nhiệt độ của dung môi … Nội dung luận văn
gồm 3 phần chính:
Chương 1 – Tổng quan về nhiệt điện.
Chương 2 – Phương pháp thực nghiệm.
Chương 3 – Kết quả và thảo luận.













5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHIỆT ĐIỆN
1.1. Hiện tượng và hiệu ứng nhiệt điện
Hiên tượng nhiệt điện là sự chuyển đổi trực tiếp năng luợng nhiệt thành
năng lượng điện và ngược lại. Hiện tượng này có thể được sử dụng để tạo ra điện,
đo nhiệt độ hay làm thay đổi nhiệt độ của một vật.
Có ba hiệu ứng nhiệt điện được biết đến là: hiệu ứng Seebeck, hiệu ứng
Peltier và hiệu ứng Thomson.
1.1.1 Hiệu ứng Seebeck

Hiệu ứng Seebeck là sự chuyển hóa nhiệt năng trực tiếp thành điện năng và
được đặt theo tên nhà vật lý người Đức, Thomas Seebeck, phát hiện vào năm
1821. Hiệu ứng này được phát hiện khi ông nối hai vật dẫn điện khác nhau bằng
các mối hàn, tại các mối hàn sẽ có sự chênh lệch nhiệt độ. Do các kim loại phản
ứng khác nhau với sự chênh lệch nhiệt độ, tạo ra dòng điện và một điện trường
[14].

Hình 1.1. Sơ đồ cặp nhiệt điện.


Hình 1.1. Mô tả cách tạo ra suất điện động từ một "lắp ráp" của hai kim loại
khác nhau được gọi là cặp nhiệt điện. Trong vật lý bán dẫn, khi có sự chênh lệch
nhiệt độ giữa hai đầu của một bán dẫn bất kỳ (có thể là loại n hoặc loại p) thì do cơ
chế khuếch tán hạt tải dẫn đến có sự chênh lệch nồng độ hạt tải giữa hai đầu vật


6

liệu làm xuất hiện một điện trường khối. Điện trường này sẽ thúc đẩy quá trình
cuốn hạt tải theo chiều ngược lại, do đó sẽ ngăn cản quá trình khuếch tán tiếp theo.
Khi trạng thái cân bằng giữa hai quá trình được thiết lập sẽ hình thành một suất
điện động giữa hai đầu bán dẫn. Giá trị của suất điện động được xác định thông qua
biểu thức:

S(T)dT
(1.1)
 


trong đó:


là suất điện động giữa hai đầu bán dẫn;
S là hệ số Seebeck. Dấu của S là dấu âm hay dương là tùy thuộc vào bán
dẫn là loại n hay p.
Xét về bản chất thì sự xuất hiện của suất điện động là do ba yếu
tố:

1)

Sự xuất hiện của dòng hạt tải có huớng trong lòng vật liệu khi có
sự

chênh lệch gradient nhiệt độ. Dòng hạt tải dịch chuyển từ đầu nóng có
năng

lượng
lớn
hơn
tới đầu lạnh hình thành nên thế nhiệt điện động thể tích. Hệ số
Seebeck tương
ứng
với loại thế nhiệt điện động này là
S
V
.

2)

Sự thay đổi vị trí mức Fermi theo nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì có
sự

giảm mức Fermi. Ở

đầu lạnh mức Fermi cao hơn ở đầu nóng, dẫn tới nồng
độ

điện tử linh động ở đây lớn hơn ở đầu lạnh. Thế nhiệt động hình thành
từ

nguyên nhân này là thế nhiệt động tiếp xúc, hệ số Seebeck đuợc kí hiệu là
S
K
.

3)

Sự kích thích hạt tải điện bởi các phonon nhiệt. Khi tồn tại gradient
nhiệt
độ
hiện tượng trôi các phonon nhiệt từ đầu nóng sang đầu lạnh xuất hiện.
Xác suất
tán
xạ của các điện tử trên các phonon tăng, cuốn theo sự dịch
chuyển của các hạt
tải
điện với vận tốc bằng vận tốc dịch chuyển của các
phonon. Hệ số Seebeck của hệ
ở
nhiệt độ thấp do tác dụng của phonon nhiệt S
P

hàng chục, cho tới hàng trăm lần
lớn
hơn S
V

và S
K
. Hệ số Seebeck tổng cộng
được xác định qua biểu thức: S = S
V

+ S
K

+S
P
.

Điện thế V tạo ra bởi hiệu ứng này có thể tính theo công thức:

T
B A
T
V (S (T) S (T))dT
(1.2)
 

2
1

trong đó: S
A
, S
B

là hệ số Seebeck của kim loại (vật liệu) A, B và là một hàm của


7

nhiệt độ; T
1
, T
2

là nhiệt độ của hai mối hàn. Hệ số Seebeck không phải là một
hàm tuyến tính theo nhiệt độ, nó phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối của vật dẫn, vật
liệu. Nếu hệ số Seebeck không thay đổi trong dải nhiệt độ đo, công thức (1.2) có
thể viết lại gần đúng như sau:


B A
V (S S ).(T T )
(1.3)  
2 1

Hiệu ứng Seebeck được sử dụng trong cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ. Cặp
nhiệt điện mắc nối tiếp tạo thành pin nhiệt điện do điện thế của từng cặp nhiệt
điện là rất nhỏ.

1.1.2 Hiệu ứng Peltier
Hiệu ứng Peltier là hiện tượng đảo ngược của hiệu ứng Seebeck, khi một
dòng
điện qua mạch chứa hai kim loại khác nhau thì một đầu bị nung nóng ở
nhiệt độ
T
2

cao hơn và đầu còn lại hấp thụ nhiệt độ T
1

thấp hơn. Tức là chỗ nối
còn lại bị
làm
lạnh, hiệu ứng làm lạnh này là cơ sở lý thuyết cho việc chế tạo
các máy làm
lạnh.
Dòng nhiệt Peltier
Q

hấp thụ bởi đầu có nhiệt độ thấp hơn
trên một đơn vị thời
gian bằng:


AB B A
Q .I ( ).I
(1.4)

  

  

với Π
AB

là hệ số Peltier của cặp nhiệt còn Π
A

và Π
B

là hệ số Peltier của
mỗi
kim
loại.

1.1.3 Hiệu ứng Thomson
Hiệu ứng Thomson được phát hiện ra bởi Lord Kelvin vào năm 1851. Hiệu
ứng Thomson mô tả sự nóng lên hay lạnh đi khi một vật dẫn mang dòng điện. Bất
kỳ một vật dẫn mang dòng điện nào (ngoại trừ chất siêu dẫn), với sự chênh lệch
nhiệt độ giữa hai đầu sẽ hấp thụ hoặc phát nhiệt phụ thuộc vào bản chất của vật
liệu.
Nếu có dòng điện J đi qua vật dẫn đồng nhất có tính đến hiệu ứng
Thomson, nhiệt lượng Q tỏa ra trên một đơn vị thể tích là:


8


Hình 1.2. Mô hình hiệu ứng

Thomson.

dT
Q J J (1.5)
dx
   
2

trong đó: ρ là điện trở suất của vật dẫn, dT/dx
là sự biến thiên nhiệt độ dọc theo vật dẫn và
μ là hệ số Thomson. Số hạng đầu tiên trong
biểu thức (1.5) là nhiệt lượng Joule. Số hạng
thứ hai của (1.5) là nhiệt lượng Thomson, phụ
thuộc vào chiều của dòng điện J.
Hệ số Thomson được xác định như
sau:
T
Q
lim (1.6)
I. T
 

 


* Mối liên hệ giữa các hệ số nhiệt điện
Năm 1854, Lord Kelvin đã tìm ra
mối liên hệ giữa ba hệ số này. Biểu thức Thomson thứ nhất như sau:

dS

T
(1.7)
dT
 

trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối, μ là hệ số Thomson, S là hệ số Seebeck.
Biểu thức Thomson thứ hai có dạng sau:

S.T
(1.8) 

1.2 Các tính chất nhiệt điện cơ bản
1.2.1 Độ dẫn điện (σ)
Sự dẫn điện có thể mô tả bằng định luật Ohm, rằng dòng điện tỷ lệ với
điện trường tương ứng, và tham số tỷ lệ chính là độ dẫn điện.

e
J .E
(1.9)
 
 

với J
e
là mật độ dòng điện, E là cường độ điện trường và σ là độ dẫn điện.
Độ dẫn điện là nghịch đảo của điện trở suất, ρ:


(1.10)
 


1

trong hệ SI, σ có đơn vị chuẩn là S/m (Siemens trên mét), ngoài ra các đơn vị biến
đổi khác như S/cm, 1/Ωm.


9

Đối với vật liệu có tính chất nhiệt điện, độ dẫn điện sẽ có những đặc tính
khác so với các vật liệu dẫn điện kim loại hay bán dẫn thông thường.
1.2.2 Hệ số dẫn nhiệt (κ)
Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt giữa các phần tử lân cận trong một chất do sự
chênh lệch nhiệt độ. Dẫn nhiệt diễn ra trong tất cả các dạng vật chất như rắn,
lỏng, khí và plasma.
Mối quan hệ giữa vector dòng nhiệt J
Q

với vector gradient nhiệt độ, có biểu
thức như sau:

Q
J T
(1.11)
 
 

Dạng vô hướng là :

Q

J T
(1.12) 

Dấu (-) thể hiện hai vector ngược chiều nhau.
Khi biết trường nhiệt độ T(x, y, z, τ) có thể tính được công suất nhiệt Q(W)
dẫn qua mặt S (m
2
) trong thời gian τ (s) như sau:

S
Q TdS
( . )
 

1 13

Và lượng nhiệt Q
τ
dẫn qua mặt S sau khoảng thời gian τ (s) tính theo công thức:

r
r
S
Q TdSd
( . )
  

0
1 14

Hệ số dẫn nhiệt κ là hệ số, có biểu thức tính như sau:

 
Q
J
W / mK
( . )
T
 

1 15

Trong đó, J
Q

là dòng nhiệt ở trạng thái cân bằng.
Hệ số dẫn nhiệt của một vật dẫn rắn bao gồm: dẫn nhiệt do điện tử và dẫn
nhiệt do mạng tinh thể, có dạng: κ = κ
e

+ κ
latt
, với κ
e
, κ
latt

tương ứng là độ dẫn
nhiệt của điện tử và độ dẫn nhiệt của mạng tinh thể. Trong các vật liệu dẫn điện
theo cơ chế điện tử thì khi tăng độ dẫn điện sẽ làm tăng độ dẫn nhiệt của điện tử,

do đó hệ số phẩm chất Z sẽ không tăng lên được.
Để làm giảm độ dẫn nhiệt của mạng tinh thể, người ta thường tạo ra vật


10

liệu có cấu trúc giam giữ phonon (phonon blocking). Các vật liệu loại này thường
có dạng lớp (layer) hoặc dạng siêu cấu trúc (superlattice).
1.2.3 Hệ số Seebeck (S)
Thế nhiệt điện động xuất hiện trong hiệu ứng nhiệt điện có thể biểu diễn
thông qua biểu thức (1.16) dưới đây.

S(T T )
( . )  
1 2
1 16

hay
T
(T)
T
S dT
(1.17)
 

2
1

với
T

(T)
dV
S
dT

là thế nhiệt điện động riêng hay còn được gọi là hệ số Seebeck. Hệ
số Seebeck, kí hiệu là S hoặc α của một vật liệu đo độ lớn của điện thế tạo ra khi
có sự chênh lệch nhiệt độ, có đơn vị là V/K. Trong nhiều trường hợp hay dùng đơn
vị μV/K. Sự thay đổi thế nhiệt động ΔV tương ứng với sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ
ΔT được gọi là hệ số Seebeck vi sai:

V
S
( . )
T



1 18

Độ lớn của S phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và nhiệt độ chênh lệch
giữa hai đầu vật liệu, tức là ứng với các vật liệu khác nhau các giá trị của thế nhiệt
điện động (S) sẽ khác nhau.
1.2.4 Nhiệt độ trung hòa và sự đảo ngược nhiệt độ
Hình 1.3 cho thấy sự thay đổi của suất điện động vào nhiệt độ là một đường
parabol. Nhiệt độ tại điểm mà suất điện động đạt giá trị lớn nhất gọi là nhiệt độ
trung hòa "θn" và nhiệt độ đường giao nhau điểm nóng và suất điện động gọi là
nhiệt độ của đảo ngược "θi". Nhiệt độ trung hòa và đảo ngược được xác đinh theo
công thức:

c
n i
t

(1.19)
   
2

trong đó, t
c
là nhiệt độ tại điểm nối lạnh


11


Hình 1.3. Parabol sự biến đổi của suất điện động với gradient nhiệt độ.

1.2.5 Hệ số phẩm chất (Figure of Merit)
Với vật liệu nhiệt điện, tiêu chuẩn quan trọng nhất để đánh giá khả năng ứng
dụng của nó là chỉ số chất lượng (ZT), là khả năng của một loại vật liệu chuyển đổi
nhiệt năng thành điện năng. Biểu thức của ZT (Rowe D.M., 1995) là :

ZT T
( . )
 


2
1 20

trong đó

là hệ số Seeback ở
/V K

,

là độ dẫn diện của vật liệu nhiệt điện ở
Sm
-1
và

là độ dẫn điện của vật liệu ở Wk
-1
m
-1
.
Hệ số chất lượng của một cặp nhiệt điện có thể được tính toán từ các thông
số của vật liệu nhiệt điện được lựa chọn:

a b
a a b b
( )
ZT T ( . )
( ) ( )
  

 
    

 
 
2
2
1 1
2 2
1 21

trong đó
,
a b
 
là các hằng số Seeback,
,
a b
 
là độ dẫn nhiệt của hai vật liệu sử
đụng để làm hai cực của cặp nhiệt điện và T là gradient nhiệt độ giữa hai cực.





12

Hệ số phẩm chất ZT
Hệ số phẩm chất của một cặp nhiệt điện chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi sự dẫn
điện nhưng tỉ lệ nghịch với khả năng dẫn nhiệt của vật liệu nhiệt điện.
1. Độ dẫn nhiệt của vật liệu dễ dàng tính thông qua các dòng nhiệt và được
xác định bằng biểu thức :

Q x
. .
(1.22)
t S T

 
 
1

trong đó
Q
t


là tỷ lệ của nhiệt lượng,
T
x

là gradient nhiệt độ, t là thời gian các
dòng nhiệt, A là điện tích mặt cắt ngang của vật liệu nhiệt điện với độ dày x
2. Độ dẫn điện của vật liệu nhiệt điện


( . )
RS
  

1 1
1 23

trong đó R là điện trở của vật liệu nhiệt điện (

) và
R
A



,

là điện trở suất vủa
vật liệu
m
,


là chiều dài và A là điện tích mặt căt ngang của vật liệu.

1.2.6 Năng lượng nhiệt
Độ lớn của điện áp nhiệt điện khi có sự chênh lệch về nhiệt độ trên các vật
liệu nhiệt điện gọi là năng lượng nhiệt. Nếu độ chênh lệch nhiệt độ của hai đầu vật
liệu là ΔT thì năng lượng nhiệt điện của các vật liệu được xác định bằng công thức :

V
S
(1.24)
T

 



trong đó
V
là điện áp đặt vào.
1.3 Một số lý thuyết về nhiệt điện
Có hai giả thiết cơ bản về lý thuyết nhiệt điện:
(a) Lý thuyết phonon Drag
Trong lý thuyết này các phonon được coi là hạt mang nhiệt. Phonon luôn
luôn không ở trạng thái cân bằng nhiệt, nó chuyển động theo gradient nhiệt. Chúng
mất xung lượng bởi tương tác với các điện tử (hoặc các dịch chuyển khác) và sự


13

không hoàn hảo trong tinh thể. Nếu sự tương tác phonon – điện tử là chủ yếu, các
phonon có xu hướng đẩy các electron vào một phía của vật liệu, mất dần động
lượng trong quá trình này. Điều này góp phần việc hình thành nhiệt điện. Đóng góp
này là quan trọng nhất trong vùng nhiệt độ nơi tán xạ phonon – điện tử là chủ yếu.
Điều này xảy ra với T ≈ (1/5)θ
D
, trong đó θ
D
là nhiệt độ Debye. Ở nhiệt độ thấp có
ít phonon có sẵn cho lực cản và ở nhiệt độ cao hơn họ có xu hướng mất động lượng
trong phonon-phonon thay vì tán xạ tán xạ phonon-điện tử.
(b) Lý thuyết khuếch tán
Lý thuyết này có liên quan đến nồng độ của vật liệu nhiệt điện. Theo lý
thuyết này, khi hai đầu của một của dây dẫn được giữ ở nhiệt độ khác nhau; các các
phần tử nóng được khuếch tán từ đầu nóng đến đầu lạnh và các phần tử lanh lan tỏa

từ lạnh đến nóng. Khuếch tán này dẫn đến dòng nhiệt mà còn là dòng điện do dòng
chảy của các hạt mang điện. Khuếch tán này tạo ra mật độ cao hơn của các hạt
mang điện ở một đầu lớn hơn đầu kia. Vì vậy, nó dẫn đến sự chênh lệch điện thế,
còn được gọi là điện trường. Khuếch tán của các hạt mang điện bị ảnh hưởng bởi chuyển
động của chúng theo chiều ngược nhau, không hoàn hảo, tạp chất và những thay đổi về
cấu trúc. Vì vậy năng lượng nhiệt là tập hợp các thông số ảnh hưởng lên vật liệu.

1.4 Ứng dụng của máy nhiệt điện.
Các nhà nghiên cứu theo định hướng cải thiện các thế hệ máy nhiệt điện với
sự ra đời của các vật liệu mới, hoạt động theo nhiều hướng khác nhau, khả năng
dẫn nhiệt, tính dẫn nhiệt, khả năng chịu được sự thay đổi nhiệt độ cao hơn…Điều
này đã được thể hiện qua việc sản lượng điện của máy phát nhiệt điện thương mại
dao động từ mW đến kW (Riffat S.B. và cộng sự, 2003 [16]; Rowe D.M., 1999
[22]). Một modun nhiệt điện chuẩn bao gồm 71 cặp nhiệt điện với kích thước 75
mm
2
có thể cung cấp sản lượng điện khoảng 19 W (Riffat S.B và cộng sự, 2003)
[16]. Việc tạo ra năng lượng nhiệt điện tối đa phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ
giữa các bản nóng và lạnh của modun, thông số kỹ thuật, chiều dài, diện tích mặt
cắt ngang, diện tích tiếp xúc, điện trở suất, khả năng dẫn điện … (Rowe D.M. và
cộng sự, 1998) [20].


14

Tận dụng nhiệt từ nguồn nước nóng
Một nghiên cứu đã cho thấy rằng các máy phát nhiệt điện có thể được sử
dụng trong các nguồn nước nóng được sinh ra từ việc làm mát động cơ, lò hơi, hơi
nước địa nhiệt… (Rowe, DM 2006) [19]. Một số công trình nghiên cứu cho thấy,
khi modun nhiệt điện làm bằng PbTe khi hoạt động ở nhiệt độ cực nóng là 500

0
C
và cực lạnh là 50
0
C sau đó tạo ra 50W .
Ta có thể sử dụng một máy phát nhiệt điện để sản xuất điện từ nhiệt độ bề
mặt của bếp lò dao động từ 100
o
C đến 300
o
C (373 K – 573 K). Trên bề mặt của
một bếp lò có nhiệt độ khoảng 500K ta có thể tạo ra năng lượng điện khoảng 100
W với vật liệu FeSi
2
(sử dụng với bếp lò do sự ổn định ở nhiệt độ cao), PbTe (có ưu
điểm về công suất và hệ số ZT); hay Bi
2
Te
3
.
Nhiệt từ các nhà máy công nghiệp
Máy phát nhiệt điện cũng được áp dụng trong việc sử dụng nhiệt thải từ các
nhà máy sản xuất thép. Một lượng lớn nước làm mát thường được thải ra ở nhiệt
độ 900
o
C khi hoạt động với mục đích làm mát cho nhà máy thép. Báo cáo của
Rowe D.M (2006) [19] chỉ ra rằng tổng số điện năng có thể sản xuất từ nhiệt thải
của nhà máy thép là khoảng 8 MW bằng cách sử dụng các modun nhiệt điện chế
tạo bằng vật liệu Bi
2

Te
3
.


Hình 1. 4. Ảnh của một máy phát nhiệt điện sản xuất năng lượng (Weiling L. và
cộng sự., 2004) [23].


15


Nhiệt từ các lò đốt chất thải
Khả năng của việc sử dụng nhiệt từ việc đốt chất thải rắn đô thị cũng đã
được xem xét. Điều này được thực hiện bởi Rowe D.M (2006) khi nhiệt độ từ các
lò đốt rác dao động trong khoảng 823 đến 973 K. Chúng ta có thể thu được 426
kW điện năng khi đốt 100 tấn chất chất thải rắn trong 16 giờ.


Hình 1.5. Ảnh của một máy phát nhiệt điện sản xuất bởi Trung tâm bảo tồn năng
lượng Nhật Bản (the Japanese Energy Conservation Centre), sử dụng nhiệt thải là
nguồn năng lượng để tạo ra mật độ điện 100 kW/m
3
(Weiling và cộng sự., 2004)
[23].

Nhiệt thải cấp độ vi mô
Một công trình sáng chế dược thực hiện bởi Fleurial và cộng sự (2002) [5]
tìm hiểu thiết kế của một thiết bị nhiệt điện vi mô giúp vận hành linh kiện điện tử.
Thiết bị này bao gồm một chất nền có khả năng dẫn nhiệt cao như kim cương được

đặt tiếp xúc với vùng nhiệt độ cao. Trong modun này một màng mỏng hợp kim
Bi
2
Te
3
được đặt trong vùng tiếp xúc của nhiệt độ cao và thấp, chênh lệch nhiệt độ
được hình thành để tạo ra năng lượng nhiệt điện.



16


Hình 1.6. Hình thu nhỏ của máy phát điện (Basel Ismail và cộng sự, 2009)[8].


Hình 1.7. Sơ đồ của máy phát nhiệt điện vi mô có thể được sử dụng để chuyển đổi
nhiệt thải thành điện năng để điều khiển một con chip điện tử (Fleurial JP và cộng
sự, 2002)[5].

Ngoài ra còn một máy phát nhiệt điện vi mô được đề xuất bởi Glatz W và
cộng sự (2006) [6] cho các bề mặt không phẳng. Máy phát điện này được chế tạo
bằng phương pháp lắng đọng điện hóa của Cu và Ni trong một khuôn polymer dẻo


17

dày 190 µm trên khuyên mẫu photolithographic SU – 8. Điều này được kiểm tra
trong công trình nghiên cứu cho thấy khi sự chênh lệch nhiệt độ là 0,12 K tại bề
mặt của máy phát nhiệt điện thì máy tạo ra 12 ± 1,1 nW/ cm

2
. Sơ đồ của máy phát
nhiệt điện này được mô tả trong hình 1.12.


Hình 1.8. Sơ đồ của máy phát nhiệt điện vi mô có thể được sử dụng để chuyển đổi
nhiệt thải thành điện năng để điều khiển một con chíp điện tử (Glatz W. và cộng
sự, 2006)[6]

Nhiệt từ khí thải ô tô
Việc sử dụng năng lượng nhiệt thải (hao phí) từ khí thải của quá trình đốt
cháy nhiên liệu trong xe ô tô cũng là một ứng dụng mới của thiết bị sử dụng nhiệt
điện. Một động cơ xăng mất khoảng 30% năng lượng nhiên liệu tiêu thụ bị lãng phí
dưới dạng nhiệt và xả trong không khí.

1.5 Các loại vật liệu nhiệt điện
Vật liệu nhiệt điện cho ứng dụng làm cặp nhiệt điện chủ yếu là kim loại, có
hệ số Seebeck và hoạt động ở những vùng nhiệt độ khác nhau.
Vật liệu cho việc chuyển hóa năng lượng nhiệt thành năng lượng điện chủ
yếu là các hợp kim bán dẫn, đòi hỏi có ZT ≈ 1. Thời gian gần đây, các hệ oxit
chứa Coban (Co) cũng cho ZT > 1 và có độ dẫn nhiệt thấp. Hệ vật liệu pervoskite
và các biến thể của nó cũng là những ứng cử viên trong nghiên cứu và tìm kiếm
vật liệu có hệ số phẩm chất ZT cao, hoạt động ở vùng nhiệt độ cao.




18

1.5.1 Vật liệu nhiệt điện

Vật liệu nhiệt điện cho đến giờ được sử dụng cho ứng dụng thực tế là
Bi
2
Te
3
,
PbTe và Si
1-x
Ge
x
,
Bi
2
Te
3

cho hiệu suất cao nhất ở nhiệt độ phòng và được
sử dụng cho các ứng làm lạnh như phần tử làm lạnh Peltier. PbTe cho hiệu suất
cao nhất ở 500- 600K, và Si
1-x
Ge
x

cao nhất gần 1000K [12,20].
Bismuth telluride (Bi
2
Te
3
) được biết bởi hệ số Seebeck cao (200 V/K),
độ dẫn điện lớn

( 1/ cm)  1000
độ dẫn nhiệt thấp
( . W/ mK) 1 5
và
ZT  1

ở nhiệt độ phòng. Ở nhiệt độ cao, hệ số Seebeck giảm và do đó ZT giảm mạnh.
PbTe đã được tìm thấy có tính chất nhiệt điện tốt ở dải nhiệt độ từ 300-700K.
Hệ số Seebeck đạt giá trị lớn nhất
( V/ K) 220
với x = 0.15 ở 300K
(ở nhiệt độ phòng).
Các hợp kim SiGe là những vật liệu phù hợp nhất cho phát điện nhiệt điện.
Việc thêm Ge vào Si để tăng giá trị ZT, chủ yếu là do tăng tán xạ phonon liên quan
đến sự phân bố ngẫu nhiên nguyên tử Si, Ge trong hợp kim. Với Si
0.7
Ge
0.3
, giá trị
chính xác của mức pha tạp tối ưu khác nhau một chút với thành phần và nhiệt
độ, nhưng luôn nằm trong khoảng từ 1 đến 3x10
20

cm
-3
cho SiGe loại n, và
khoảng từ 2 đến 4x10
20

cm

-3

cho SiGe loại p.
Dãy Seebeck
Nhà khoa học vĩ đại Thomson Johann Seebeck (nhà vật lý người Đức) đã
giới thiệu về chuỗi Seebeck (năm 1821) của một số vật liệu để chỉ ra hướng và độ
lớn của dòng nhiệt điện qua cặp nhiệt điện.
Dưới đây là dãy nhiệt điện :
Antimony (Sb), Iron (Fe), Cadmium (Cd), Zinc (Zn), Silver (Ag), Gold
(Au), Chromium (Cr), Strontium (Sn), Lead (Pb), Mercury (Hg), Manganese (Mn),
Copper (Cu), Platinum (Pt), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Bismuth (Bi).
Dãy các vật liệu trên rất hữu ích giúp định hình sự kết hợp các vật liệu của
một cặp nhiệt điện (để tạo ra năng lượng nhiệt cần thiết), hiện nay một lượng lớn
các vật liệu (hợp kim, chất bán dẫn, màng mỏng và các cấu hình ba lớp ) khác với
dãy trên cũng được sử dụng để tạo ra vật liệu nhiệt điện.



19

Sự phát triển của vật liệu nhiệt điện



Hình 1.9. Mô tả sự phát triển của ZT theo thời gian. Vật liệu nhiệt điện làm mát
được thể hiện bằng dấu chấm màu xanh, vật liệu phát điện thể hiện bằng dấu tam
giác đỏ.


1.5.2 Vật liệu Bi

2
Te
3

Kể từ khi được phát hiện cách đây gần 60 năm, trong một thí nghiệm làm
giảm nhiệt độ, Peltier sử dụng một cặp nhiệt điện kết hợp giữa bismuth và telluride
(Bi
2
Te
3
). Hợp chất Bi
2
Te
3
đã được phát hiện là có tiềm năng trong việc chuyển đổi
nhiệt năng thành điện năng và ngược lại. Hợp chất này đã được sử dụng rộng rãi
trong các việc xây dựng các modun nhiệt điện. Việc xây dựng các modun nhiệt
điện đã được cải thiện về hiệu suất đều đặn cho đến nay. Từ những khám phá ban
đầu do một số yếu tố về nhiệt độ, mà ngày nay chúng thường xuất hiện ở dạng
không thứ nguyên của nó, tương ứng với hệ số phẩm chất ZT. Hệ số phẩm chất đã
tăng từ 0,5 đến những giá trị lớn hơn (~1,5).
Ngay từ đầu các nhà nghiên cứu đã nhận ra rằng, cần phải tối ưu hóa nồng


20

độ hạt tải mang điện tích, bằng cách pha trộn với hợp chất để cải thiện tính đẫn
điện, nhiệt. Trong trường hợp chỉ có một loại hạt mang điện là điện tử hoặc lỗ
trống, khi nhiệt độ giảm thì độ dẫn tăng. Các hệ số Seebeck và độ dẫn điện được
kết hợp qua biểu thức

 
2
, được gọi là hệ số công suất. Đối với vật liệu nhiệt điện,
việc làm tăng hệ số công suất càng lớn càng tốt. Hầu hết các cải tiến đầu tiên là làm
giảm các thành phần mạng của độ đẫn nhiệt
L

. Điều này đạt được thông qua việc
kết hợp bismuth telluride với các hợp chất của telluride antimony và selenua
bismuth. Việc tăng cường sự tán xạ phonon trong các vật liệu dạng rắn thường
không kèm theo sự suy giảm sự di chuyển của các hạt mang điện.
Trong những năm gần đây, việc giảm độ dẫn điện mạng tinh thể đã thu được
bằng việc áp dụng các cấu trúc nano. Hệ số công suất đã được cải thiện thông qua
các hiệu ứng lượng tử, bắt nguồn từ phonon tán xạ trên ranh giới của hạt có kích
thước nano. Nói cách khác, cấu trúc nano có ảnh hưởng đến độ dẫn điện của mạng
tinh thể hơn là việc thay đổi thành phần pha tạp. Hệ số phẩm chất thu được trong
vật liệu có kích thước nano cũng tương tự như sử dụng hiệu ứng Seebeck, hay hiệu
ứng Peltier. Như vậy, trong một chừng mực nào đó, hợp kim bismuth telluride là
những vật liệu tốt ở nhiệt độ phòng. Nó cũng là vật liệu chuyển đổi nhiệt thành điện
tốt, ít nhất là gần với nhiệt độ này.
Bismuth Tellurium (Bi
2
Te
3
) là một loại bột màu xám, đây là một hợp chất
bismuth và tellurium (còn được gọi là bismuth (III) telluride). Nó là một chất bán
dẫn, khi tạo thành hợp kim với antimon (Sb) hoặc selenium (Se) trở thành một vật
liệu làm lạnh cho hệ nhiệt điện. Bi
2
Te

3
cũng được biết đến như một chất cách điện
topo, và thể hiện nhiều tính chất vật lý phụ thuộc vào độ dày.
Bismuth tellurium có nhóm không gian là R – 3m, trục lục giác (cấu trúc
rhombohedrat). Các mô hình lục giác vạch ra cấu trức phân lớp của vật liệu, và tế
bào đơn vị có các hằng số mạng tinh thể
o
a , A

4 38
và
o
c , A

30 36
tại 77K . Các hệ
số giãn nở nhiệt tương ứng là 14,4 x 10
-6

K
-1
và 21,3 x 10
-6
K
-1
. Bi
2
Te
3
có mật độ

khối lượng 7,86g.cm
3
và nhiệt độ nóng chảy là 858K.