Nghiên cứu tính chất nhiệt điện của màng mỏng ZnO đồng pha tạp Ga và In - NCS. Phạm Thanh Tuấn Anh

Tên đề tài luận án: Nghiên cứu tính chất nhiệt điện của màng mỏng ZnO đồng pha tạp Ga và In
Ngành: Khoa học vật liệu
Mã số ngành: 62440122
Họ tên nghiên cứu sinh: Phạm Thanh Tuấn Anh
Khóa đào tạo: 2017
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Cao Vinh, GS.TS. Phan Bách Thắng
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
1. Tóm tắt nội dung luận án:
Mục đích của luận án nhằm giới thiệu, nghiên cứu và khảo sát tính chất nhiệt điện (thermoelectric) của vật liệu ZnO đồng pha tạp In và Ga ở cả dạng khối và màng mỏng, với khả năng chuyển đổi hiệu quả nhiệt thải thành năng lượng điện ở vùng nhiệt độ hoạt động trung bình và cao. Đặc biệt, cấu trúc và tính chất nhiệt điện của màng mỏng dựa trên nền ZnO được thay đổi thông qua điều khiển nồng độ hạt tải, độ linh động, mức năng lượng Fermi, khối lượng hiệu dụng mật độ trạng thái (density-of-state effective mass) và các sai hỏng mạng tinh thể trong màng. Nghiên cứu này đóng góp các lý luận quan trọng hướng tới phát triển các linh kiện nhiệt điện thực tế, nhất là linh kiện màng mỏng nhiệt điện. Hơn nữa, ảnh hưởng của các tạp chất lên các cơ chế truyền dẫn hạt tải và phonon được làm rõ. Các lý giải này là điều cần thiết để định hướng lựa chọn các tạp chất khác trong việc tăng cường phẩm chất nhiệt điện của vật liệu ZnO.
2. Những kết quả mới của luận án:
i. Vật liệu khối ZnO với tỷ lệ pha tạp In/Ga/Zn = 0.5/4.5/95.0 được thiêu kết theo quy trình một bước cho độ dẫn nhiệt thấp nhất. Pha spinel đóng vai trò lớn trong việc giảm độ dẫn nhiệt mạng tinh thể. Hơn nữa, nhờ vào khả năng bù trừ khuyết kẽm của nguyên tử tạp chất từ pha spinel vào mạng chủ ZnO, mẫu khối còn đạt hệ số Seebeck cao nhất, dẫn đến hệ số công suất nhiệt điện PF = 317.5 µW/mK2 tại 773 K. Kết quả mở ra khả năng điều khiển tính chất nhiệt điện thông qua sự phân tách pha thứ cấp.
ii. Tính chất nhiệt điện của màng mỏng có thể kiểm soát thông qua điều khiển sai hỏng mạng, bằng hai cách: đồng pha tạp và xử lý nhiệt. Đồng pha tạp gây ra các sai hỏng mạng tinh thể và các vùng định xứ làm giảm độ dẫn nhiệt. Việc xử lý nhiệt chủ yếu làm thay đổi tỷ lệ các sai hỏng mạng. Sự kết hợp hai phương pháp dẫn đến giá trị độ dẫn nhiệt thấp ~0.95 W/mK và chỉ số phẩm chất nhiệt điện ZT = 0.186 ở 573 K.
iii. Sự kết hợp In và Ga ở các tỷ lệ khác nhau không chỉ tối ưu nồng độ hạt tải tương ứng với vị trí mức Fermi, mà còn điều khiển sai hỏng mạng đóng góp vào các cơ chế tán xạ. Hơn nữa, sự bù lấp của In3+ thay thế Zn2+ ở nhiệt độ cao làm tăng khối lượng hiệu dụng mật độ trạng thái do sự làm phẳng vùng dẫn. Màng mỏng ZnO đồng pha tạp In và Ga đạt giá trị ZT = 0.2, tiệm cận vùng ZT cao (ZT  0.2) của khối ZnO có cấu trúc nano.
iv. Việc xác định độ dẫn nhiệt của màng mỏng là một thách thức vì độ truyền qua cao của xung nhiệt cũng như độ khuếch tán nhiệt rất nhanh dẫn đến không thể đo bằng phương pháp xung laser thông thường. Luận án này sử dụng kỹ thuật đo phản xạ nhiệt phân giải thời gian với độ nhạy và độ chính xác cao.
3. Các ứng dụng/ khả năng ứng dụng trong thực tiễn hay những vấn đề còn bỏ ngỏ cần tiếp tục nghiên cứu
i. Giới thiệu vật liệu màng mỏng IGZO với phẩm chất nhiệt điện được tối ưu, có thể tiếp tục được công bố và mở rộng cho các tạp chất khác khi pha tạp vào màng ZnO.
ii. Vật liệu khối IGZO có thể ứng dụng trong các pin nhiệt điện.
iii. Vật liệu màng mỏng IGZO có thể được ứng dụng trong các thiết bị có kích thước nhỏ, như cung cấp nguồn điện cho IoT, hoặc trong các thiết bị và cảm biến đeo với nguồn nhiệt từ cơ thể người.