NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU MÀNG NANO ZnO PHA TẠP ĐỊNH HƯỚNG CHẾ TẠO LINH KIỆN NHIỆT ĐIỆN
Hoá Vô Cơ
Luận án "Nghiên cứu tổng hợp vật liệu màng nano ZnO pha tạp định hướng chế tạo linh kiện nhiệt điện" giải quyết vấn đề cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng nhiệt điện bằng vật liệu mới. Hiện tại, các vật liệu nhiệt điện phổ biến như hợp kim chalcogenide còn tồn tại nhược điểm về độ bền ở nhiệt độ cao, chi phí và độc tính. ZnO, một oxide kim loại, được xem là ứng viên tiềm năng nhờ tính ổn định hóa học, độ dẫn nhiệt thấp, thân thiện môi trường và chi phí tổng hợp thấp. Tuy nhiên, ZnO thuần có tính dẫn điện yếu, do đó cần pha tạp và cấu trúc nano để tối ưu hóa tính chất nhiệt điện.
Mục tiêu chính của luận án là cải thiện tính chất nhiệt điện của vật liệu ZnO thông qua quá trình pha tạp và chế tạo cấu trúc nano dạng màng, hướng tới ứng dụng trong linh kiện nhiệt điện. Để đạt được mục tiêu này, luận án đã thực hiện nghiên cứu đầy đủ và có hệ thống về vật liệu ZnO loại n (pha tạp với Al, Ga, Sn) và loại p (pha tạp với Sb, Cu, Ag) sử dụng phương pháp sol-gel. Quy trình tổng hợp dung dịch và chế tạo màng bằng kỹ thuật nhúng phủ đã được thiết lập, với nồng độ pha tạp được lựa chọn là 1%, 2%, và 3% mol, cùng nhiệt độ nung ủ tối ưu là 550°C.
Những đóng góp mới bao gồm việc chế tạo thành công màng nano ZnO pha tạp với 6 nguyên tố khác nhau, biến đổi bản chất bán dẫn của vật liệu từ loại n sang loại p để cải thiện tính chất điện. Các màng pha tạp loại n (Al, Ga, Sn) cho thấy sự tăng nồng độ electron và độ dẫn điện, đồng thời giảm độ dẫn nhiệt và cải thiện hệ số Seebeck. Các màng pha tạp loại p (Sb, Cu, Ag) tạo ra nồng độ lỗ trống đủ lớn.
Các tính chất cơ bản của màng sau chế tạo đã được khảo sát chi tiết, bao gồm cấu trúc tinh thể hexagonal wurtzite, hình thái học bề mặt với hạt kích thước nanomet (20-45 nm) và độ dày màng trong khoảng 240-260 nm. Phân tích thành phần hóa học bằng EDX cũng xác nhận sự phù hợp với tính toán ban đầu. Đặc biệt, luận án đã đánh giá tính chất điện ở nhiệt độ phòng và phụ thuộc nhiệt độ, xác nhận các màng pha tạp Al, Ga, Sn là bán dẫn loại n (10¹⁷-10¹⁸ cm⁻³) và các màng pha tạp Sb, Cu, Ag là bán dẫn loại p (~10¹⁶ cm⁻³). Hệ số công suất (PF) đạt được của các màng pha tạp loại n (45-140 µW/mK²) và loại p (8-40 µW/mK²) ở 400°C, chứng tỏ tiềm năng của vật liệu màng nano ZnO pha tạp chế tạo bằng phương pháp hóa ướt cho ứng dụng linh kiện nhiệt điện.