Chế tạo và nghiên cứu vật liệu perovskite nhiệt điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRUỒNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ựN H IÊ N
$ ĩ|c+ + $ $ sỊĩ+

CHẾ TẠO
■ VÀ NGHIÊN cứu
VẬT
LIỆU
PEROVSKITE NHIỆT
ĐIỆN
■
•
■
■
MÃ SỐ: QG-06-04

CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI PGS.TS Đặng Lê M inh
CÁC CÁN BỘ THAM GIA:
GS.TS. Bạch Thành Công
PGS.TS. Hoàng Nam Nhật
TS. PhùngQuốc Thanh

HÀ NỘ I - 2008

O A I H O C Q U O C G IA HÀ N Ô I
' TRUNG TAM THÒ NG TIN THƯ VIÊN

y Ir

—

ì —1 5■ 0

-r-—T" ■


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

MỤC LỤC

Trang

Báo cáo tóm tắt
Tiếng Việt

...........................................................

1

Tiếng Anh

...........................................................

3

........................................................

5

Mở đầu

I. Phương pháp thực nghiệm ............................................

6

n . Kết quả và thảo luận
1. Cấu trúc tinh thể và cấu trúc tế v i .........................

7

2. Tính chất điện

..........................

10

3. Tính chất từ

...........................

13

4. Ảnh hưởng cùa ion Fe

...........................

15

5. Chế tạo mẫu có kích thước nanô

..........................

19

. Hệ Ortho-Ferit Laj.x(A )xF e 0 3

..........................

25

6

r a . Kết luận

..........................

26

Tài liệu tham khảo

............................

27

Phụ lục

Phiếu Đăng ký Kết quả KH- CN

29


BÁO CÁO TÓM TẤT

CHẾ TẠO VÀ NGHIỀN cứu
V Ậ T L iệ u

P E R O V S K IT E N H IỆ T Ũ I Ệ N

Mã số: QG- 06 - 04
Chủ trì đề tài:
PGS. TS. Đặng Lê Minh
Các cán bộ tham g ia : GS.TS Bạch Thành Công
PGS.TS Hoàng Nam Nhật, TS. Phùng Quốc Thanh
Th.s. Hoàng Văn Hải, Th.s. Nguyễn Thị Thuỷ.
Học viên Cao học : c ử nhân Nguyễn Văn Du
1. Muc tiéu để t à i:
Từ năm 2002 chúng tôi đã triển khai một hướng nghiên cứu mới là chế tạo
và nghiên cứu hợp chất perovskite có hiệu ứng nhiệt điện cao sử dụng ở vùng
nhiệt độ cao. Loại vật liệu này cũng là một trong các loại vật liệu đang được
nghiên cứu rất mạnh trên thế giới nhằm tạo ra các nguồn điện mới có hiệu quả
cao và nhất là không gây ô nhiễm môi tròng, làm các điện cực sử dụng ở nhiệt
độ cao...Với các đề tài được triển khai năm 2002 (QT-02-06), 2003 (QT-0307) chúng tôi đã đạt được các kết quả ban đầu là đã chế tạo thành công các
hợp chất perovskite C aM n03 , CaJ.x Ndx M n0 3 và một số mẫu pha tạp thay thế
Fe vào vị trí A và B, bằng phơng pháp gốm và phơng pháp sol-gel. Các hợp
chất đó có hệ số Seebeck khá lớn ở nhiệt độ cao. Năm 2005, chúng tôi tiếp tục

hướng nghiên cứu đó với họp chất perovskite nền là C aM n0 3 và pha tạp thay
thế bỏi Y và Fe nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của các chất pha tạp đến cac tính
chất điện từ của chúng nhằm tìm được các hợp chất có tính chất tốt với hệ số
Seebeck lớn, điện trở suất nhỏ độ dẫn nhiệt thấp nhằm nâng cao hệ số phẩm
chất z của các vật liệu nhiệt điện. N ăm 2006-2007, chúng tôi đã được duyệt
đề tài QG-06-04, nhằm kết thúc giai đoạn đầu nghiên cứu về hợp chất
perovskite có hiệu ứng nhiệt điện lớn ở nhiệt độ cao và đề ra được hướng đề
tài ỏ giai đợn sau khi được trang bị thêm một số thiết bị đo như hệ thiết bị đo
hệ số Seebeck, hệ số dẫn nhiệt, điện trở suất trong khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ
phòng cho đến nhiệt độ cao cỡ 11Ỏ0°C.
2. Nòi dung nghiên cứu
• Chế tạo vật liệu A B 03 , trong đó A : La, Nd, Ca, Y, Sr, Ti, Fe; B : Mn.
• Cấu trúc tinh thể, cấu trúc tế vi.
• Nghiên cứu tính chất từ điện của hợp chất chế tạo được, ảnh hưởng của
chế độ công nghệ, thành phần môi trường đến cấu trúc và tính chất.
• Khả năng ứng đụng.


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

3. Các kết quả đat đươe
•
Chế tạo hệ hợp chất Ca 1.x(A’)xM n 0 3 [A’: Nd, La, Y, Fe ] và
Laj.y (A”)y F eơ 3 [ A” : Nd, Sr, Ti] bằng phương pháp gốm và sol-geỉ.

•

Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và vi cấu trúc của các mẫu.

•

Đo các tính chất nhiột điện bao gồm sự phụ thuộc nhiệt độ của
điộn trở suất, từ đó giả thiết cơ chế dằn điện. Xác định hệ số
Seebeck ở nhiệt độ phòng.

•

Nghiên cứu tính chất từ : sự phụ thuộc nhiệt độ và từ trường đo
của từ độ, từ đó giả thiết bản chất từ của vật liệu.

•

Ảnh hưởng của sự thay thế của các ion Fe, Nd, La, Y cho ion Ca
đến tính chất của CaM n0 3 . Khởi đầu nghiên cứu hệ ortho-ferrite
A B 0 3 ( L nFe03).

•

06 báo cáo và bài báo trong các Hội nghị và Tạp c h í : ( chi tiết có
trong phần phụ lục)

•

Nội dung của Luận án Thạc sỹ của Nguyễn Thị Thuỷ-Đại học KH
Huế ( đã Bảo vệ thành công 2007 ), của Hoàng Văn Hải - Đại học

KHTN ( đã Bảo vệ thành công 2006 ), của Nguyễn Văn Du- Đại
học Quốc gia Hà nội ( sẽ bảo vệ tháng 11/ 2008 ), Luận văn Tiến
sỹ của Phủng Quốc Thanh- Đại học KHTN ( đã bảo vệ thành công
4-2007).

•

Xây dựng được một phòng hoá cho công nghệ nanô, bao gồm : tủ
hốt, máy khuấy từ có gia nhiệt, các dụng cụ thuỷ tinh, hoá chất
cần thiết ( vái kinh phí gần 30 triệu từ Đề tài)

Khoa quản lý

Chủ trì đề tài

ĩ? ỵ Ịh if

—

PGS.TS. Nguyễn Thế Bình

PGS.TS Đặng Lê Minh

Trường Đại học Khoa học tự nhiên

Go o e

'

M’ÊU TBƯCNO

BRIEF REPORT

THE PREPARATION AND INVESTIGATION OF
THE THERMOELECTRIC KROVSKITE MATERIALS

Main responsible person :

DangLeM inh

Co-implementation members : Hoang Nam Nhat, Bach Thanh Cong

Phung Quoc Thanh, Hoang Van Hai
Nguyen Van Du, Nguyen Thi Thuy

The new investigation project has been developed since 2002, this is
Investigation of the perovskie compound with the high thermoelectric effect at
high temperature range. This kind of material is one of the materials that has
been strongly investigated in the world for creating the new electric source
and especially, they do not cause the contamination of asmosphere, those are
the electric power stations with the thermoelectric materials. With the
developed projects in 2002 (QT-02-06) and 2003 (QT-03-07) , we have had
some good results : preparation of the perovskites C aM n03, Cal xNdxM n 0 3
and several samples with doping of Fe by the ceramic and sol-gel methods.
Those samples have the rather high Seebeck coefficient at high temperature.
In 2005, we continue this investigation direction with the compound CaMnOj
doping Y anf Fe for study their influence on the electric and magnetic
properties in Oder to receive the thermoelectric materials having the high
quality factor (Z).

The investigation project has been continued in 2006-2007 with the project
QG-06-04 in Oder to finish the beginning period of the study of thermoelectric
materials having the high thermoelectric effect at high temperature, and put
out the new project that will be investigated when we have the equipment
system for measuring the Seebeck coefficient, resistyvity, thermal
conductivity in the temperature range from room temperarure to over 1 0 0 0 °c.

3


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi
The content of the project:
•

The preparation of the A B 0 3 and doped-ABOj having the high
thermoelectric effect.

•

The investigation of the electric and magnetic properties and the
influence of the technology regime, composition, structure on the
properties of the samples.

•

Investigation of the expected applications

•

Take part in the training process of Bach. Master and Dr.

The obtained results :
•

The successful preparation of the some systems of perovskite
compound C a ^ iA ’^M nOj [A’: Nd, La, Fe, Y ] and Laj.y (A”)y
Fe03 [ A” : Nd, Sr, Ti ] by two methods : ceramic and sol-gel.

•

Structure and microstructure investigation of the samples.

•

Measuring of the thermoelectric properties including the
temperature dependence of resistivity, Seebeck coefficient at room
temperature.

•

The investigation of the magnetic properties : the temperature
dependence of the magnetization M .

•

The influence of the substitution of the ions Fe, Nd, La for Ca
ions on the properties of the CaMnOj

•

Seven scientific reports in The 10th Vietnam Conference on Radio
and Electronic 11/2006 and The Scientific Conference of the
Faculty of Physics 2006, ICEP-2006 10/2006, The 1st
International Workshop on Funtional Materials and The 3th
International Workshop on Nanophysics and Nanotechnology
12/2006, Journal of Science - Mathematics-Physics T.XXII, No
2AP, 2006, Germany-Vietnam Coference in Born 2007, The 10th
National Conference on Solid State Physics 2007-Vung Tau,
Vietnam-Germany Conference in Nha Trang 3/2008,

•

The content of the master thesis of M aster Students : Nguyen Thi
Thuy ( Hue Sciences University, already successfully defend ),
Hoang Van Hai ( Hanoi University of Sciences-already
successfully defend 2006), Nguyen Van Du ( Vietnam National
University of Hanoi- will be defend in December- 2008) and the
Ph.Dr thesis of Ph.Dr Student Phung Quoc Thanh ( Hanoi
University of Sciences, already successfully defend 2007 )

4


MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây , hợp chất gốm Perovskite A B 0 3 đã thu hút sự
chú ý của nhiều nhà khoa học trên thế giới và ở Việt nam. Các nghiên cứu cho
thấy chúng có nhiều tính chất vật lý lý thú và khả năng ứng dụng rộng rãi. Các
hợp chất LnA’B 03 (Ln : Nd, La, Pr, Sm,... A ’ : Ba, Sr, Ca, Ag, ... B : Mn,
Co...) là những vật liệu có tính tử trở , từ nhiệt khổng lồ. ở Việt nam trong 10
năm trở lại đây hàng trăm công trình nghiên cứu các vật liệu từ trở và từ nhiệt
đã được công bố trong các hội nghị khoa học trong và ngoài nước, trên các tạp
chí Việt nam và thế giới.
Trong xu thế tìm các nguồn năng lượng sạch, người ta đã tìm thấy cũng ở
vật liệu gốm Perovskite có tính nhiệt điện cao ở nhiệt độ phòng đến nhiệt độ
cao, chúng không bị ăn mòn, bền ổn định vơí thòi gian... và hứa hẹn có thể
sử dụng chúng làm các trạm phát điện nhờ hiệu ứng Seebeck chuyển trực tiếp
nhiệt năng thành điện năng, sử dụng làm xúc tác chế tạo nhiên liệu H 2 từ dầu
m ỏ... Các hợp chất nhưCa,.xMexM n0 3 ( Me : Y, La, Co, Sn, In, Sb, Pb, B i,...)
Ln,.x CaxMnO, (Ln = La, Nd, G d ,...)... đã được nghiên cứu cho thấy chúng có
các thông số nhiệt điện rất cao [3-7].
Trong khuôn khổ của Đề tài QT, từ năm 2002 chúng tôi bắt đầu triển khai
nghiên cứu hệ gốm ABO 3 có tính nhiệt điện cao với đề tài QT-02-06 (2002)
và QT- 03- 07 (2003). Hệ CalxFexM n 0 3 ( x=0; 0.01; 0.03; 0.05) và hệ
Cal x NdxM n 0 3 (x=0; 0.1; 0.3; 0.5; 0.7; 0.9) đã được chế tạo và nghiên cứu các
tính chất nhiệt điện của chúng.
Năm 2005, trong khuôn khổ đề tài QT- 05 - 06, hệ Ca^YxM nO, (x=0; 0.1;
0.3; 0.5; 0.7; 0.9) đã được chế tạo và nghiên cứu.
Với các hợp chất có hiệu ứng nhiệt điện, ngoài việc nghiên cứu các tính chất
cơ bản, nhằm hướng tới ứng dụng, các vật liệu đó phải có hệ số phẩm chất
(Z=S2 ơ/k) lớn nghĩa là vật liệu phải có hệ số Seebeck cao, độ dẫn điện lớn và
hệ số truyền nhiệt nhỏ. Để đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đó, người ta thường

5

Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

đưa vào vật liệu nển một số tạp chất. Tiếp tục hướng đề tài trên, chúng tôi đã
thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu tiếp trong khuôn khổ đề tài QG-06-04 đã được
d u y ệ t, trong hai nãm 2006-2007.

I. Các phương pháp thực nghiệm :
1- Chế tạo m ẫu:
•

Phương pháp gốm :
Các hệ mẫu đã được chế tạo Ca!_x (A )x M n 0 3 (vói A : La, Nd, Y, Fe và

X = 0; 0.1; 0.3; 0.5; 0.7; 0,9) và hệ La,.y(A”)yF e 0 3 ( với A” : Nd, Sr, Ti và
y = 0.00, 0.01, 0.03, 0.05, 0.1, 0.3, 0.5). Nguyên liệu gồm CaC03 (99%),
M nC03(99%), Y 20

3

(99.9%), Nd 20

3

( 99,9%), SrC 0 3 (99%), Fe 20

3

(99,5%), T i0 2 (99%) được tính theo thành phần hợp thức được trộn trong
cối mã não, nung sơ bộ ở nhiệt độ

1 0 0 0 °c

trong

10

giờ, các mẫu sản phẩm

dạng thanh và đĩa được thiêu kết ở 1300°c trong 15 giờ trong môi trường
không khí.
•

Phương pháp sol-gel và nghiền năng lượng cao để chế tạo một vài mẫu
bột có kích thước nano để có thể chế tạo sản phẩm dạng màng làm thử
sensor nhạy khí. Mẫu : CaMnOj, LaoạNdo )M n03 , L aF e03.

2- Nghiên cứu cấu trúc và tính c h ấ t:
2-1 . Cấu trúc tinh thể được khảo sát bằng thiết bị nhiễu xạ tia X
XD-5005 Brucker-Germany. Các thông số cấu trúc được tính toán ứng dụng
phương pháp Rietveld trên cơ sở các thông số phân tích nhiễu xạ tia X.
2-2. Quan sát các hạt tinh thể của các mẫu được thực hiện trên kính hiển
vi điên tử quét JSM 5410 LV-Jeol.
2-3. Đo điện trở của mẫu phụ thuộc nhiệt độ sử dụng phương pháp hai

điểm tiếp xúc.
2-4. Tính chất từ và từ nhiệt được đo trên máy VSM- Digital
Measurment System-USA.

6


II.

Kết quả và thảo lụân :
1.

Cấu trúc tinh thể và cấu trúc tế v i:

20 (độ)
Hĩnh 1. Giản đồ nhiễu xạ tiaXmẫu Cal x Yx MnOj
Hình 1 là giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu Ca,.xYx M n 0 3 (x=0; 0.1;
0.3; 0.5; 0.7; 0.9). Hợp chất perovskite lý tưởng có cấu trúc lập phương, các
thông số mạng a=b=c=7.46 Ả, a=p=y=90°. Mẫu CaMnOj (x=0) chế tạo được
có cấu trúc orthorhombic với một chiều c=7.45 . Khi pha tạp, thay thế Y cho
Ca, mạng có xu hướng giãn ra, hằng số mạng tăng khi nồng độ Y tăng. Điều
đó có thể giải thích là khi thay thế ion Y3+ (r = 0.97 Ả), có bán kính nhỏ hơn,
vào vị trí ion Ca2+ (r =1.97 Â ), thì đổng thòi một số ion M n^ (r=0.52Â )
chuyển thành Mn3+ (r=0.7Á) có bán kính lớn hơn. Kết quả là mạng tinh thể bị
giãn ra, hằng số mạng tăng lên theo sự tăng hàm lượng Y. Hằng số mạng tinh
thể (c) của các mẫu Caj.xYx M n 0 3 (x=0; 0.1; 0.3; 0.5; 0.7; 0.9) cho ở bảng 1.

7

Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

Bảngl. Hằng s ố mạng tinh thể của các mẩu CalxYxM n03
X
II
o

Mẫu CalxYx MnO,
Hằng số mạng c (Ă)

7.45

X

= 0.1

X

= 0.3

7.47

X

= 0.5
7.53

7.5

X

=0.7

X

7.55

=0.9
7.56

Hình 2. Giàn đồ nhiều xạ tia Xcùa hệ mầu Cal x (Ndoỉ Laos )xMnO}
Bảng 2. Các thông số cấu trúc tinh thể của hệ mẫu

a(A)

b(Â)

C(A)

a

p

7

V (Ả ) 3

Loại mạng

X = 0.0

7.460

7.460

7.460

90°

90u

90u

415.161

Cubic

X = 0.1

5.285

5.303

7.475

90u

'O

oc

o

oc

209.497

Orthorhombic

II

m
ò

5.338

5.350

7.530

90u

90°

90u

215.044

Orthorhombic

X=

0.5

5.379

5.401

7.590

90°

90u

220.505

Orthorhombic

X

Hệ mẫu

XO
o

c

Ca,., (Ndo jLao j), MnOj ( X = 0.0; 0.1; 0.3; 0.5 )

Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu C a ^ (Ndo ,Lao )xM n 0 3 (x = 0.0;
5

5

0.1; 0.3; 0.5) được biểu thị như hình 2 cho thấy các mẫu là đơn pha.
Từ các kết quả đo ta tính được các thông số cấu trúc tinh thể và được
trình bày ở Bảng 1 và 2 . Từ bảng 1 ta thấy, mẫu không pha tạp C aM n0 3 có
cẩu trúc cubic, khi pha tạp thay thế một phần ion Ca2+ bàng cóc ion N d,+ , L a ’+

8


thì mạng tinh thể có xu hướng co lại biến đổi sang dạng cấu trúc
orthorhombic,
Hình 3 ,4 là ảnh SEM của mẫu CaM n0 3 (a); Ca0 9Y 01 MnO 3 (b);
Cao 9 NdojMnOj (c); CãfỊ9 Y005 Fe005 M n 0 3 (d). Hợp chất nền khi pha tạp
thay thế đều có cấu trúc tế vi thay đổi, dẫn đến làm thay đổi tính chất nhất là
tính chất điện của mẫu.

Hình 3. Ảnh SEM của mẫu CaMnOj (a); Ca09 Y0Ị M n03 (b)
Cơqp Ndo, Mn03 (c), C ữ ọ ọ Yqoị F&Q05
(d)
C aM nO ,

^^ 0.7

Câg ạ(NdQ 5 ,L>3g s )q I M nO j

)o.j M nO j

C3j.s (N d 05L a 05 )q 5 M nO j

Hình 4 Anh SEM của hệ mầu Cciị./NdọỊ Laus )xMnO

9


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

2. Tính ch ứ nhiệt điện :

a. Hệ sốSeebeck:
Hệ số Seebeck của các mẫu chuyển từ giá trị âm sang dương tuỳ thuộc vào
hàm lượng nguyên tố thay thế, mẫu chuyển từ bán dẫn loại n sang bán dẫn
loại p (Bảng 3; Hình 4,5,6). Giá trị tuyệt đối của chúng khá cao (~300 ụV/K)
Bảng 3. Hệ sốSeebeck {ịN IK) của các mẫu , Cal l YI MnO} ; Cahx Ndx MnOj

Cau YẴMnOj
Ca^Nd, MnO,

- 273.3
-198

-74.2
-72

-33.9
-45

Hình 4 Hệ sô' Seebeck của
C a ,x NdxMnOs

-7 .8
-4 0

91.8
15

II

o

0.5

X

X=

o

= 0.1

X
II

X

II
p

X= 0

X

Mẫu

u>

(x=0; 0.1; 0.3; 0.5; 0.7; 0.9)

248.2
98

Hình 5 Hệ sốSeebeck của
Ca,_x YxM n03

Hình 6 Hệ số Seebeck của hệ mẫu
Ca,JN dOỈ Laos iJMnOj

b. Điện trở suất:
C aM n0 3 là chất điện môi. Tuy nhiên trong quá trình nung ở nhiệt độ cao,
hoặc khi có sự thay thế ion Ca+2 bằng các ion có hoá trị khác 2 thì trong mẫu
xuất hiện trạng thái hỗn hợp hoá trị Mn+3- M n ^ , làm cho mẫu có tính dẫn như

10


chất bán dẫn. Hình 7, 8 thể hiện các đường cong sự phụ thuộc nhiệt độ của
điện trở suất (p) của các mẫu đã chế tạo, cho thấy các mẫu đều thể hiện tính
dẫn của bán dẫn. Khi nồng độ pha tạp thay đổi, không làm thay đổi bản chất
dẫn, điện trở suất thay đổi không theo qui luật tuyến tính tăng hay giảm, mà
có m ột thành phần có điện trở suất thấp n h ấ t, như trường hợp hệ mẫu Ca!.
x(Ndo 5 Lao 5 )x M n 0 3 với x= 0.3.
Có ba cơ chế dẫn được giả th iế t:
• Cơ chế theo mô hình polaron điện.
•

Cơ chế theo mô hình khoảng nhẩy biến thiên Mott ( mô hình bandg a p ), với qui lu ậ t:
p = Pữ exP

kT

Ea : năng lương kích hoạt
Cơ chế theo mô hình lân cận gần nhất, vói qui luật
í T

p{T) =

exp

A

V

V1

Trong đó pm phụ thuộc vào nồng độ phonon, do quá trình nhảy có sự
tham gia của phonon. T 0 là nhiệt độ đặc trưng phụ thuộc vào chiều dài định
xứ của điện tử 1la và mật độ trạng thái N(E).
kTn =

300

350

400

450

500

550

18cr3
N{E)

600

T (K)

T (K)

Hình 7 Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trỏ suất p của hệ mẫu
CữỊ.x(Nd0Ị ,ha05)x MnO j

11


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi
Bảng 3. Năng lượng kích hoạt cùa hệ máu CatJ N d 0s ,Lau1)I MnOj
X

0.356

Ea (eV)

= 0.1

0.328

m

= 0.0

Ó

X

II
X

Mầu

X

0.172

= 0.5

0 .2 0 2

Phép đo hiệu ứng Hall cho ta xác định được nồng độ hạt tải (n.cm-3)
trong các mẫu, số liệu được trình bày trong Bảng 4.
Bảng 4 Nồng độ hạt tải trong hệ mẩu Cahx(NdOỈ ,La0ị )tMnOỉ
X

0 .0

n (cm-3)

1.48xl018

0.3

0.5

6.67xl021

1.04xl021

0 .1

1.08xl021

Bảng số liệu cho thấy nồng độ hạt tải trong các mẫu tăng theo thành
phần pha tạp

X

làm độ dẫn tăng, khi

X

= 0.5 thì nồng độ hạt tải giảm nên độ

dẫn của mẫu giảm. Điều này phù hợp với giá trị đo điện trở suất và nãng lượng
kích hoạt của mẫu nêu trong hình và bảng . Các nghiên cứu chỉ ra rằng vật
liệu nhiệt điện có hệ số phẩm chất tốt có nồng độ hạt tải vào khoảng
Ỉ0">.
1« ' ,**0
12
§
E

■ \

10
_

É

\

ẳ
«-0.1
4

I
\

«-01

................. .................

2

280 Ỉ M

100 320 MO 3€0 300 4 00 4 20 440 460 440

320 MO 3 «

310 4 00 4 2 0 44 0 4 8 0 480

T(K)

K)_

Ẹ

E
E
o£

u

é

ụ

■C

o

20

22

24

26

£8

10

12

2 .4

14

iooorr(K')
Hình 8.

2 6

21

1000/T (K’1)

Các đường p(T) và lnp( lĩT ) của Ca Ị xNdJ[in03
ị x=0; OA; 0.2; 0.6; 0.7; 0.8 )

12

3 .0

1 0 18

-

Hình 7,

8

là các đường p(T) và lnp(l/T) của Caj.xiNdos ,Lao5)x M n 0 3 ,

Caị_xNdxM n 0 3 và Caj.xYxM n 0 3 . Ở đây, cơ chế dẫn theo mô hình khoảng
nhẩy biến thiên ( mô hình band-gap) theo qui luật p = f(l/T), đúng trong
khoảng nhiệt độ đo ( từ nhiệt độ phòng đến 250°c ), từ đường lnp(l/T) tuyến
tính và xác định được năng lượng kích hoạt, như được ghi trong Bảng 3. Có
một số mẫu khi tăng nhiệt độ, xảy ra hiện tượng chuyển pha dẫn “kim loạiđiện môi” như các mẫu Ca 1.xNdxM n0 3 với x=0.7; 0.8 ở nhiệt độ cỡ 430-436 K
( Hình 8 ) và Cao.9 (Ndo s La^X) , MIĨ0 95 Fe0 05 0 3 ở nhiệt độ cỡ 380- 480K.

3. Tính chất từ

Ca,.1Nd,MnO,
X=Ô;
I

s

J

0.1; Q.9

3 ị-

«=0.1

2 jiC'EjOUKrjjov!

0

1— *---------- -*■—*----------------------------- •--»—u “ =’jjrrj Ỉ Ỉ J TX'TTj J I.1J I■
B0
100
120
140
1C 0
180
200

T(K)

T( K)

Hình 9 Đường M(T) của CaMnOj

TÍIO

Hình 10 Đường M(T) của CahxNdIMnOs

T(K)

Hình II Đường MỊT) của

Hình 12 Đường M(T) của

Ca^YMnOs

N d g Ị ,L,ŨQ ị ) jM h O Ị

13


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

Hơp chất A B 0 3 có chứa các ion từ như hệ manganite AMnOj thì hợp chất sẽ
có tính chất từ. Hệ đó có cấu trúc tinh thể lý tưởng như Hình 13.

oo •
A

Mn

o

Hình 13Cấu trúc tinh thể của hợp chất perovskte ABOỊ

Các ion Mn3+ hay Mn4+ nằm trong hốc bát diện được bao bọc bởi 6 ion o 2
(M n06). Tương tác từ giữa các ion Mangan là tương tác trao đổi gián tiếp hay
tương tác siêu trao đổi ( thông qua ion 0 2 ). Độ mạnh của tương tác này phụ
thuộc vào khoảng cách giữa các ion Mn và góc Mn- o -Mn. Các tương tác có
thể xảy ra là : tương tác thể hiện tính phản sắt từ như trường hợp ion Mn cùng

hoá trị như Mn3+- M n^ ( LaMnOj) hay Mn4+ - Mn4* ( C aM n03). Khi thay the
một phần ion La hay Ca bằng các ion hoá trị khác 2 hoặc 3, trong hợp chất
xuất hiện trạng thái hỗn hợp hoá trị Mn3+- Mn4+ ( L al xSrxM n 0 3 hay Ca!.
xLaxM n 0 3). Lúc này cường độ và kiểu tương tác giữa chúng phụ thuộc vào

14


khoảng cách, góc Mn-O-Mn và tỷ lệ Mn37Mn4+. Các hợp chất kiểu La!.
xSrxM n 0 3 với X < 0.3 thể hiện hiệu ứng từ điện trở (CMR) và từ nhiệt (CMCE)
khổng lồ và ỉà những hợp chất cố tính sắt từ mạnh với tương tác trao đổi kép
(DE) giữa M n^-M n4*. Tuy nhiên trong các hợp chất kiểu Cal xSrKM n 0 3 với X
nhỏ ( < 0 .3 ) thì chúng là hợp chất có tính sất từ yếu (weak ferromagnetic) với
trật tự phản sắt từ không bù trừ-nghiêng ( canted-uncompensated
antiferromagnetic hay canted-ferrimagnetic). Trong các hợp chất trên, còn có
thể xuất hiộn trạng thái “spin-glass” khi chúng được từ hoá theo chế độ “FCZFC” và ( Hình 9, 10, 11, 12 ), “trật tự điện tích” ( tuy nhiên trong các hợp
chất có hiệu úng nhiệt điện mà chúng tôi chế tạo chưa phát hiện thấy trạng
thái n à y ).

4. Ảnh hưởng của ion Fe
a. Đến tính chất điện

Hình 15 Sự phụ thuộc nhiệt độ của
hệ s ố dẫn nhiệt

Hình 14. Sự phụ thuộc nhiệt độ của
Hệ sô Seebeck

Hình 16 Sự phụ thuộc nhiệt độ của
hệ s ố phẩm chết z

Hình 17. Sự phụ thuộc nhiệt độ của
đién trỏ suất

15

í


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

- ■ - y = 0.00

—•—ý = 0.01

§
d

280

300 350 400 450 500 550

T(K)

320

360

400

T(K)

440

480

520

Hình 19 Đồ thị p (T) cùa hệ mẫu

Hình 18 Đồ thị p (T) cùa hệ mẫu
Ca009(Nd0ỉLagỉ)ni Mnl.yFeyOi

Ca09Y0,.yFeyMnO3

0
-100

§

o

-200

d -300
-400-

y content
Hình 20 Hệ sô' Seebeck của

Hình 21 Hệ sô Seebeck của
Ca0ọ(Nd0ịLm 05)oiMn i.yFeyO 3

CaoỘYoi./eyMnOỊ

Các ion Fe có thể thay thế vào vị trí A và B trong hợp chất A B 0 3 ( như
^ 1 - X ^ X ^ ^ 3 ^ Câ()9 Y 0 i.yFeyM n 0 3 , CaQ^NdQ jLag jJo iMiij.yFeyOj ).

Tuỳ

thuộc vào hoá trị của các ion Fe mà sự có mặt của chúng trong hợp chất sẽ ảnh
hưởng mạnh đến tính chất điện. Ion Fe3+ là ion bền trong tự nhien. Trong các
hợp chất oxyt được chế tạo bằng phương pháp gốm, phải gia công nhiệt ở
nhiệt độ cao ( > 1000°C), tuỳ thuộc vào nhiệt độ nung, tốc độ làm nguội, áp
suất riêng phần của Oxy trong khí quyển nung, chúng luôn tổn tại trạng thái
hoá trị hỗn hợp Fe2+- Fe3+. Trong vật liệu gốm tồn tại cặp Fe2+- Fe3+ điẹn trở
suất cùa mẫu sẽ bị giảm mạnh.
Trong trường hợp các hệ mẫu mà chúng tôi chế tạo, khi thay thế Fe vào các vị
trí A hoặc B hiệu quả của chúng tương tự ( Hình 18-19) :
• Làm giảm điện trở suất và khi tăng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng lên nhiệt
độ cao, tốc độ giảm điện trở suất ngay sau nhiệt độ phòng khi nâng
nhiệt là rất cao.
• Tăng hệ số Seebeck. Hệ mẫu Ca 1.xFexM n 0 3 được đo tại phòng thí
nghiêm của JAIST cho kết quả rất tot. Mẫu có hệ số Seebeck cao hẹ

16


số dẫn nhiệt thấp và hệ sô' phẩm chất z khá cao ( tại nhiệt độ cỡ
700°C).

b. Đến tính chất từ
Khi có các ion từ tổn tại trong các hợp chất nào đó, nó sẽ làm cho hợp chất
đó có tính chất từ. Tuỳ thuộc vào hàm lượng, vị trí của chúng trong mạng, trật
tự và tương tác từ giữa các ion này mà hợp chất sẽ có các loại tính chất từ khác
nhau. Ion Fe ỉà ion có tính từ mạnh ( Fe2+ = 4ịiB ; Fe3+ = 5ịiB ) khi chúngđược
thay thế cho các ion ở vị trí A hay B đều ảnh hưởng đến tính chất từ của mẫu.
Từ độ (M) tãng khi x=0.01 ( Cao^FeoojMnOi,) (Fig.21) gây ra do tỷ lệ Mn3+
/Mn4* tăng . Hình 22 và 23 chỉ ra đường M(T) ở chế độ FC&ZFC của mẫu
Cao 99Fe0 QiMnO3 . Nhiệt dộ Curie giảm (Tc =125K).
Dạng của đường M(T) chỉ ra mẫu có tính sắt t ừ .

0.06

ị

, £ £ £ ____

H = 100 O e

0 00 ---------------...............................

0

100

T(K)

200

0

300

Hình 22 Đường M(T) cùa
Ca099 Fe00j MnOj tại H~ÌT

100

200

300

T(K)

Hình 23 Đường M(T) ở chế độ FC&ZFC
của Caữ99 Fe00ì MnOj tại H -100 Oe

0.12

CíW F e 00JMnO,

(sample M2)

H = 100 O e

0.00

0

1 0 0 ____

T(K)

200

300

Hình 24 Đường M(T) của
Caf)V7Fe00}MnO3 tại H=ỈT

0

100

200

300

T(K)

Hình 25 Đường M(T) với chế độ FC-ZFC
của Cao 97Feao,M n0 3 tại H=100 Oe

đ a i h o c Q U O C G IA HÀ NÔI
t r u n g ĩ a m t h ò n g t in th ư v iê n


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

0.09

MnO,
Sample M3

0.06
H = 10000 Oe
H = 100 Oe

s 0.03

0 .001

100T ( K ) 200

300

Hình 26 Đường M(T) của

mẫu Ca09iFe00SMnO3 đo tại

-

0.2

ZFC

100

T(K)

200

300

Hỉnh 27 Đường M(T) cùa mẫu
Cao^FeoosMnO, đo tại H=100 Oe

Ca08SFeÍKMnO.

Khi x=0.03; 0.05, dạng của đường M(T)
chỉ ra tính sắt từ yếu gây ra do trật tự phản
sắt từ nghiêng (canted-antiferromagnetic)
của Mn3+ - Mn4+ trong vị trí bát diện
(M n06). Đặc biệt, với x=0.05 từ độ M
có giá trị âm (Hình 27) tại nhiệt độ nhỏ
100
200
hom nhiệt độ Tc; được giải thích theo giả

T(K)
Hình 28 Đường M(T) FC&ZFC của thiết rằng trật tự phản săt từ của Fe 3+-Fe3+
Ca0.95Fe0.05Mn03 at H=400 Oe
tạo ra một từ
trường nội tại vị trí của ion Mn , đổng thời
nó lại tạo ra một từ trường cảm ứng hướng ngược lại tại vị trí mỗi ion Mn, kết
quả là Mzfc trở nên âm. Tại từ trường cao hơn (400 Oe- Hình 27) ảnh hưởng
của tương tác phản sắt từ nghiêng (canted-antiferromagetic interaction) của
Mn 3+-Mn4+ mạnh hơn tương tác phản sắt từ của Fe 3+-Fe3+ , giá trị M lại trở lại
giá trị dương (Hình 27). Từ hình 28 thấy rõ là tính sắt từ bị giảm và tính phản
sắt từ tăng vói sự tăng hàm lượng Fe và khằng định được rằng tính sắt từ yếu
của các mẫu là do trật tự phản sắt từ nghiêng (canted-antiferromagnetic order)
và tuơng tác phản sãt từ chiếm ưu thế trong các mẫu (b), (c).
(sample M3)

Fig 29 Đường M(H) của các mâu
(a) Ca099Fe001Mn0 3 (b) C a^Fe^M nO , (c) Ca095Fe0.ũ5MnO,

( Các phép đo trên được thực hiện tại phòng thí nghiệm của
Viện Van-der-Waals -Trường Đại học Amsterdam - Ha lan )

18


5 . C hế tạo mẫu cố kích thước nano-met
Chứng tôi cũng đã chế tạo mẫu CaM n03 , Ca0 ạNd0 1 MnO 3 có kích thước
nano-met bằng phương pháp citrat-gel và nghiền năng lượng cao.
Sau đây là một số kết quả được ghi trong một chương của Luận văn Thạc sỹ
( đã bảo vộ thành công tại Đại học Khoa học Huế năm 2007 )

CẢU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA MẨU Ca09NdOÌ M n 0 3
CÓ KÍCH THƯỚC NANO
I. Phương pháp chế tạo mẫu
1.1 Phương pháp gel - citrat
Chúng tôi tiến hành chế tạo mẫu Cao.9Ndo.iMn0 3 bàng phương
pháp gel - citrat. Nguyên liệu ban đầu ià các dung dịch C a(N 03)2, N d(N 03)2,
M n (N 0 3) 2 C 6Hg0 7 , N H 4OH loãng, s ổ mol axit citric được dùng bàng 1.5 lần
tổng số mol các dung dịch Ca2+, Nd3+, Mn3+. Hỗn hợp các dung dịch được
khuấy, trộn đều ờ 800C, điều chỉnh pH trong khoảng 6 đến 7 bằng dung dịch
N H 40H loãng (0,4%). Sản phẩm thu được sấy kỹ ở 1200C trong nhiều giờ ta
thu được xerogel của mẫu Cao ạNdo.iMnO] cần chế tạo. Xerogel thu được
đem nung ở các nhiệt độ khác nhau để khảo sát cấu trúc và cỏc tính chất.
Quy trình chế tạo như sau:

Hình 30

Sơ đồ chế tạo mẫu bằng phương pháp citrat - gel


Ket-noi.com
kho
Ket-noi.com
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi
Ị
■*

1.2 Phương pháp nghiền năng lượng cao
Mẫu Cao.9 Ndo.1 Mn03 được chế tạo bằng_ phương pháp gốm. Sau khi nung
thiêu kết ở nhiệt độ 130ỏ°c trong 1 0 giờ, mẫu được nghien bằng cối chày mã
não trong 4 giờ để được hạt kích thước cỡ ụ m. Sau đó , bột mâu được nghiên
mịn bằng máy nghiền năng lượng cao SPEX 8000D tại Viện Khoa học Vật
liệu Viện KH&CN Việt nam, để được hạt cỡ nm.
1.3 Chế tạo màng mỏng :
Đê tạo màng, bột mẫu được nghiền trộn với dung dịch keo hữu cơ (nghiên
paste) tạo thành hỗn hợp sệt. Đem hỗn hợp này phủ lên mặt đê gôm có cực
săn, bàng thiết bị in lưới, say khô ở 150°c trong 20 phút rồi cho màng vào lò
nung đến 800°c để khử hét chất hữu cơ và tạo pha. ử mẫu khoảng 15 phút rôi
cho nguội theo lò.
Màng có kích thước 3x3x0.15 (mm). Mặt trước có hai cực làm băng
kim loại vàng, hai cực ở mặt sau là platin ( Hình 31)
Mặt sau

M ịt trirớc

Hình 31 Hình dạng cùa màng Cao.9 Ndo.1 MnC>3

II. Cẩu trúc tinh thể
Hình 32, 33, 34, 35, 36 là giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ờ các nhiệt độ nung
300° c, 500 c , 700 c, 900°c, 1 100°c. Ỏ nhiệt độ 300-500°C giản đồ cho thấy
chưa hình thành dung dịch rắn perovskite, nhiệt độ cao hơn dần xuất hiện các
đỉnh đặc trưng cho các oxyt thành phần và từ 700°c dần hình thành pha dung
dịch rắn Cao 9 Ndo 1 MnOj. Đến 1100°c hoàn toàn cho mẫu đơn pha Cao 9 Nd 0 ị
MnO-Ị
So sánh hằng số mạng của Cao.ọNdo iM n0 3 được chế tạo bằng phương
pháp gốm [26] a = 5.295, b - 5.294, c = 7.48, ta thấy thông sồ mạng thay đổi
không đáng kể, cấu trúc mạng vẫn là orthorhombic (Bảng 4)

20


20

Hình 32 Giản đồ nhiễu xạ tia X cùa Cao 9 Ndo.1 MnƠ3 ở nhiệt độ

30(fc

80

20

30

40

20

50

60

70

Hình 33 Giản đồ nhiễu xạ tiaX cù a Ca0.9 Ndo.ỉ MnOĩ ở nhiệt độ 500° c

40

20

50

60

70

Hình 34 Giản đồ nhiều xạ tia X cùa Cao 9 Ndo I M n0 3 ở nhiệt độ 7Q(ỷ c
Ở 900 c, các đinh nhiễu xạ sắc nét, mẫu hoàn toàn đơn pha.

21


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

Hình 35 Giàn đồ nhiễu xạ tia X của Cao.9 Ndo.1 MnC>3 ở nhiệt độ 900 c

20

Hình 36 Giản đỏ nhiễu xạ tia X cùa
Cao 9 Ndo.1 MnƠ3 ở nhiệt độ ỉ 100° c

Mầu

a(Ả)

b(A)

c(Ả)

A

p

y

V ((Ả)3)

Loại mạng

700°c

5.285

5.303

7.475

VO
oo

VO
oo

VO
oo

209.47

Orthorhombic

900°c

5.285

5.303

7.475

oo

VO
oo

90°

209.47

Orthorhombic

1100 °c

5.285

5.303

7.475

90°

ovoo

Bảng 4 Các thông số cấu trúc tinh thế cùa mẫu Cao 9 Ndo 1 MnOs

90°

209,47

Orthorhombic

22


1.2.3 C ẩ u ừ ủ ctếvi
Việc khảo sát cấu trúc bề mặt của các mẫu được tiến hành trên kính
hiển vi điện tử quét (SEM) có độ phân giải cao ở Viện Khoa học Vật liệu Việt
nam. Kết quả chụp SEM được thê hiện ở hình 37, 38.
0
MỈU 700 c

0
Mẩu 900 c

0
Mlu 1100 c

Hình 37 Mau Ca 0.9Nd0.1Mn03 soi-gel nung ở các nhiệt độ nung khác nhau

Từ hình 37 ta thấy nhiệt độ nung mẫu ảnh hưởng rất nhiều đến sự phát triển
các hạt trong mẫu. Ở 700°c các hạt phát triển chưa đều, kích thước hạt nhỏ,
có hiện tượng các hạt kết dính thành từng đám rất xốp. Mật độ hạt đồng đều
hom ở 900°c và 1 100°c, kích thước tăng lên vào khoảng 100 nm, hạt, biên hạt
và các lỗ trống quan sát thấy rất rõ.
Hình 38 là ảnh SEM của bột mẫu Cao.9 Nd 0.iMnO 3 sau khi nghiên mịn
bằng máy nghiền năng lượng cao và màng Cao 9 Ndo iMnƠ 3 . Ta thấy, sau khi
nghiền mịn sổ lượng hạt có kích thước cỡ vài chục nm chiếm đa số, các hạt có
xu hướng kết đám. Ảnh cấu trúc bề mặt của màng Cao.9 Ndo,iMn0 3 lại cho
thấy các hạt phát triển đều hơn và kích thước hạt to hơn, có thể quá trình tái
tạo pha khi nung ở 800°c làm thay đổi kích thước hạt.
Bột mjn Ca0.9 Nd0.1Mn03 (a)

Màng Ca0.9Nd0.1Mn03 (b)

í l
'

'

^

ỉ

«• .

*

i

ý't

■ :

í
\

•

y

.

■

-

r £ "
ị
i J

r \

'

* '• ■ *

/

3

X ________w
“ ỉ tachi 10 CkV 8 T rrm »3C•C á S E iM i

1 OOum

■Machi 5 OkV 8 O m m *5 0 Ok S E íM i

Hình 38 Anh SEM cùa mẫu bột nghiền mịn(a) và cùa màng(b) Cao.ọNdo.iMnOỉ

23

1 0 0 um