اولین همایش ملی نانومواد و نانوتکنولوژی دانشگاه آزاد اسالمی واحد شاهرود 01 و 00 اسفند ماه 0931 ترموالکتریکی آن مالئی مجتبی محمدی

Transcript

1 دانشگاه آزاد اسالمی واحد شاهرود 01 و 00 اسفند ماه 0931 ساخت نانوذرات به روش هیدروترمال و الیه نازک آن به روش تبخیر حرارتی در خال (PVD) و بررسی خواص ساختاری و ترموالکتریکی آن و 2 * و 0 2 سمیه گاراژیان محمود رضایی رکن آبادی محمد بهدانی مسعود میرزائی مسعود 0 و 2 0 و 2 مالئی مجتبی محمدی - گروه فیزیک دانشکده علوم پایه دانشگاه فردوسی مشهد مشهد 1 - آزمایشگاه تحقیقاتی الیه نازک آنگستروم گروه فیزیک دانشکده علوم پایه دانشگاه فردوسی مشهد مشهد 2 3- گروه شیمی دانشکده علوم پایه دانشگاه فردوسی مشهد مشهد *نویسنده مسئول مکاتبات: سمیه گاراژیان) somayeh_garazhian@yahoo.com ( چکیده BiCl 3 در این پژوهش نانوذرات با روش هیدروترمال از مواد و پودر تلوریم ساخته و خواص ساختاری آن بررسی شد. سپس الیه نازک با روش تبخیر حرارتی در خال به ضخامت 111 نانومتر از پودر ساخته شده تهیه µωm 83/58 µν/κ و خواص ساختاری و ترموالکتریکی آن بررسی شد. ضریب سیبک و مقاومت ویژه 22/64 و c در دمای Bi برای الیه نازک PF= 1/16ₓ 11 w/κ 2 2 Te 3 همچنین عامل توان m به دست آمد. واژههای کلیدی: هیدروترمال تبخیر حرارتی خواص ترموالکتریکی ضریب سیبك عامل توان. 0 -مقدمه مواد مبتنی بر به عنوان مواد ترموالکتریک خوب در حدود دمای اتاق شناخته میشوند[ 1 ] و به طور وسیعی در ساخت قطعات ترموالکتریک از قبیل ژنراتور و یخچال ترموالکتریکی استفاده می شوند[ 2 ]. مواد ترموالکتریکی خوب باید دارای ضرایب سیبک باال با رسانایی گرمایی پایین باشند تا

2 و 6 و 4 و 2 اولین همایش ملی نانومواد و نانوتکنولوژی بتوانند گرما را در پیوند نگه دارند و باید مقاومت الکتریکی پایین یا به عبارت دیگر رسانایی الکتریکی باال داشته باشند که گرمای ژول را مینیمم کنند[ 3 ] ضریب ارزشی هر مادهی ترموالکتریک با کمیت 2 σ بدون بعد ZT سنجیده میشود که T دمای مطلق است و Z توسط رابطهی λ/ Z=αداده می- 2 α نیز شود که در آن α ضریب سیبک σ رسانندگی الکتریکی و λ رسانندگی گرمایی است[ 8] σ به عنوان عامل توان باPF نشان داده میشود. نیمهرسانایی با گاف نواری نازک و ساختار بلوری الیهای یکریخت و دارای رسانایی الکتریکی خوب و رسانایی گرمایی پایین است همچنین ضریب سیبک باالتری نسبت به نیمهرساناهای دیگر دارد[ 2]. بعضی مطالعات نشان داده است که خواص ترموالکتریک مواد می تواند با ساخت الیه نازک آن بهبود یابد[ 5]. اخیرا الیه نازک این ماده توجه زیادی را برای ساخت قطعات ترموالکتریک به خود جلب کرده است. در ساخت این قطعات از p نیمهرساناهای نوع n و که به صورت سری اتصال داده میشوند استفاده میشود. در این پژوهش نانوذرات با روش هیدروترمال سنتز و خواص ساختاری آن بررسی شد سپس الیه نازک با روش تبخیر حرارتی ساخته و خواص ساختاری و ترموالکتریکی آن بررسی شد. 2 -کارهای تجربی 0-2- سنتز نانوذرات : )Te( BiCl 3 در ساخت نانوذرات مواد و پودر تلوریم به عنوان پیشماده استفاده شدند. این 111 )2:3( مواد با نسبت استوکیومتری Bi:Te داخل یک اتوکالو با حجم میلی لیتر از جنس تفلون ریخته و سپس اتوکالو تا 51 درصد حجمش با آب مقطر پر شد پس از اضافه کردن مقدار کافی 181 به مدت 65 ساعت قرار داده شد. o به عنوان کاهنده داخل آون با دمایc NaBH 4 پس از آن با اعمال شیب دما به مدت 65 ساعت دمای آون به دمای محیط رسید بعد از باز کردن اتوکالو رسوب حاصل توسط فیلتر کردن جدا و چندین مرتبه با آب مقطر و اتانول و سپس با استون 111 تحت خال )دستگاه )PVD به مدت 4 ساعت خشک شسته شد. مادهی به دست آمده در دمایc 0

3 و در نهایت پودری تیره رنگ شد. حاصل شد. خواص ساختاری نانوذرات با استفاده از طیف XRD بررسی -2-2 ساخت الیه نازک : الیه نشانی از پودر تهیه شده به روش هیدروترمال با استفاده از دستگاه تبخیر حرارتی در خال (PVD) انجام شد. بستر از زیر الیههای شیشهای انتخاب و دمای زیر الیههاا 181 درجاه ساانتیگراد تنمایم و پودر و زیر الیهها به مدت 12 ساعت در خال نگه داری شدند. خاال پایاهmbar و خاال کااری mbar بودند. الیهنشانی با آهناگ 21 Å/s انجاام شاد و ضاخامت نهاایی نموناه 111 ناانومتر بدست آمد. بررسیهای ساختاری و ترموالکتریکی روی نمونه انجام شد و مقادیر مقاومت ویژه و ضریب سیبک و عامل توان نمونه بدست آمد. 9- بررسی نتایج شکل 1 الگوی پراش پرتو X مربوط به نانوذرات سنتز شده به روش هیدروترمال را نشان می- دهد. پیکهای ارجح )015( )1010( و) 205 ( مربوط به فاز میباشد و نمونه دارای ساختار R3m است c = 31/653 Å a=b= 6/358 هگزاگونال با پارامترهای Å و و گروه فضایی X 01 اندازهی دانهها با استفاده از فرمول شرر حدود 81 تا نانومتر به دست آمد. الگوی پراش پرتو مربوط به الیه نازک در شکل 2 نشان داده شده است. عکسهای SEM الیه نازک در شکل 3 آمده است با استفاده از نتایج SEM اندازهی نانوذرات در حدود 51 نانومتر برآورد شد.

4 شکل :0 الگوی پراش پرتو X نانوذرات شکل 2 : الگوی پراش پرتو x الیه نازک شکل 9 : تصویر SEM الیه نازک

5 برای اندازهگیری ضریب سیبک الیه نازک از روش استاندارد اندازهگیری ضریب سیبک استفاده شد به طوری که یک طرف الیه در پیوند سرد وطرف دیگر در پیوند گرم قرار داده شد و دمای پیوند گرم به طور آهسته باال برده شد نمودار اختالف پتانسیل ایجاد شده بر حسب اختالف دمای دو طرف الیه در µ ν / κ شکل 6 رسم شده و از روی آن ضریب سیبک یا توان ترموالکتریکی میانگین الیه مقدار به دست آمد. شکل تغییرات دمایی ضریب سیبک الیه را نشان میدهد از شکل دیده 8 65/814 میشود که با افزایش دما ضریب سیبک کاهش مییابد. شکل 4 : نمودار ولتاژ سیبك بر حسب اختالف دمای دو انتهای الیه نازک شکل 5: تغییر ضریب سیبك بر حسب دمای طرف گرم الیه نازک

6 نمودار ضریب سیبک الیه نازک بر حسب دمای بازپخت در شکل 4 مشاهده میشود که ضریب سیبک با افزایش دمای بازپخت بهبود یافته است. نشان داده شده است. شکل 6: نمودار ضریب سیبك الیه نازک بر حسب دمای بازپخت برای اندازهگیری مقاومت ویژهی الیه نازک مداری بسته شد و به ازای ولتاژ اعمال شده به الیه جریان عبوری از آن اندازه گرفته شد. نمودار ولتاژ بر حسب جریان در شکل 2 رسم شده است. از روی شیب نمودار مقاومت الکتریکی نمونه بدست آمد و سپس از فرمول R ( ρ=ra/l مقاومت الکتریکی نمونه 24/388 µωm طول نمونه است( مقاومت ویژهی الکتریکی نمونه مقدار L سطح مقطع نمونه و A به دست آمد رسانندگی الکتریکی الیه از عکس مقاومت ویژه به دست میآید.

7 ln نمودار شکل 7: نمودار ولتاژ بر حسب جریان الیه نازک بر حسب دما در شکل 5 رسم شده است با افزایش دما مقاومت ویژه روند کاهشای دارد. α=83/58µν/κ در دمای 31 درجهی سلسیوس مقاومت ویژه ρ =72/64µΩm و ضاریب سایبک است و از آنها رسانندگی الکتریکی =σ Siemens/ m آمد اگر ایان مقاادیر را در رابطاهی عامل توان PF=σα 2-6 قرار دهیم مقدارm 1/16ₓ 11 w/κ 2 به دست میآید. شکل 8: نمودار ln بر حسب دما برای الیه نازک با استفاده از آزمایش اثر هال حاملهای بار در الیه نازک الکترونها و بنابراین نمونه نیمه- رسانای نوع n شناخته شد. چگالی حاملها و قدرت تحرک حاملها به ترتیب 1/46 ₓ m/1 3 و 22/84 ₓ11 4 cm 2 /v.s نیز به دست آمد.

8 4- نتیجهگیری مواد مبتنی بر مواد ترموالکتریک خوبی هستند که به طور وسیعی در ساخت قطعات ترموالکتریک از قبیل ژنراتورها و یخچالهای ترموالکتریک به کار میروند. در این پژوهش پودر با روش هیدروترمال ساخته شد و سپس الیه نازک با روش تبخیر حرارتی به ضخامت 111 نانومتر از پودر ساخته شده تهیه و خواص ترموالکتریکی آن بررسی شد. الیه نازک رفتار ترموالکتریکی بهتری را در حدود دمای اتاق نشان داد. ضریب سیبک 83/58µ ν / κ و مقاومت ویژه -6 و همچنین عامل توان 1/16ₓ 11 W/κ 2 m برای الیه نازک 22/64 الکتریکی µω m بهدست آمد. با باز پخت کردن الیه نازک ضریب سیبک افزایش یافت و توسط آزمایش اثر هال چگالی 22/84 ₓ11 4 cm 2 /v.s و 1/46 ₓ /m 3 حاملها دست آمد. و قدرت تحرک حاملها به ترتیب نیز به سپاسگزاری با سپاس و قدردانی از آقای ریاضی و آقای تقوی در آزمایشگاه پلیمر و سونوشیمی و خانم لطفیان در آزمایشگاه تحقیقاتی شیمی معدنی که در انجام این پروژه از راهنماییهای ایشان بهرهمند شدیم. مراجع [1] D.M. Rowe, C.M. Bhandari, Modern Thermoelectrics, Holt, Rinehart and Winston Ltd, (1983). [2] R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts, B. O Quinn, Nature 413 (6856) (2001) [3] Kerstin Tittes, Anders Bentien & Silke Paschen, J Solid State Electro Chem, 7 (2003) 714. [4] T.M. Tritt, Science 283 (5403) (1999) [5] C.B. Vining, Nature 413 (6856) (2001) [6] Touzelhaev M N, Zhou P, Venkatasubramanian R & Goodson K B, J Apple Phys, 90(2001) 763. [7] Kim Y, DiVenere A, Wong G K L, Kelterson J B, Cho S & Meyer J R, J Appl Phys, 91 (2002) 715. [8] T.C. Harman, P.J. Taylor, M.P. Walsh, B.E. LaForge, Science 297(5590) (2002)