Hệ số seebeck là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về hệ số Seebeck

Hệ số Seebeck là đại lượng đặc trưng cho khả năng một vật liệu tạo ra hiệu điện thế khi hai đầu chịu chênh lệch nhiệt độ. Được phát hiện và đặt tên theo nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck vào năm 1821, hiệu ứng Seebeck là nền tảng cho công nghệ chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng, gọi chung là nhiệt điện.

Hiệu ứng này xuất hiện rộng rãi trong các vật liệu dẫn điện và bán dẫn, khi electron hoặc lỗ trống dịch chuyển từ vùng nóng sang vùng lạnh, tạo ra sự phân bố điện tích không đồng đều. Hiệu suất chuyển đổi và ứng dụng thực tiễn phụ thuộc chặt chẽ vào giá trị hệ số Seebeck của vật liệu, ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế pin nhiệt điện và cảm biến nhiệt độ.

Ở cấp độ ứng dụng, hệ số Seebeck cho phép đánh giá tiềm năng thu hồi nhiệt thải công nghiệp, tái chế năng lượng trong ô tô và thiết kế thiết bị cảm biến không cần nguồn nuôi. Các nghiên cứu hiện đại khai thác cấu trúc nano, hợp chất lai và vật liệu oxide để nâng cao hệ số Seebeck, đồng thời giảm độ dẫn nhiệt, hướng đến cải thiện hệ số hiệu suất ZT.

Định nghĩa và đơn vị

Hệ số Seebeck S được định nghĩa là tỉ số giữa hiệu điện thế ΔV xuất hiện và chênh lệch nhiệt độ ΔT giữa hai đầu vật liệu:

$S = \dfrac{\Delta V}{\Delta T}$

Đơn vị cơ bản của S là volt trên kelvin (V/K), thường biểu diễn ở miền vi hoặc micro volt mỗi kelvin (µV/K) do giá trị vật liệu thường rất nhỏ. Trong thực nghiệm, một số nghiên cứu còn dùng đơn vị mV/K để thuận tiện so sánh vật liệu bán dẫn nhiệt điện.

• Volt trên kelvin (V/K): đơn vị SI chuẩn.
• Microvolt trên kelvin (µV/K): thường dùng cho kim loại và hợp kim.
• Millivolt trên kelvin (mV/K): hay gặp ở các vật liệu nhiệt điện hiệu suất cao.

Nguyên lý vật lý

Hiệu ứng Seebeck phát sinh do chuyển động không đối xứng của hạt tải điện (electron hoặc lỗ trống) khi có gradient nhiệt. Ở vùng nóng, phân tử nhận năng lượng, tăng động năng, dễ vượt rào năng lượng và di chuyển sang bên lạnh, gây chênh lệch mật độ hạt tải.

Mô hình kinh điển cho bán dẫn dẫn xuất công thức:

$S = \frac{k_B}{q}\Bigl(\frac{\langle E - \mu\rangle}{k_B T}\Bigr)$

Trong đó k_B là hằng số Boltzmann, q điện tích hạt tải, μ thế hóa học và ⟨E⟩ năng lượng trung bình. Công thức thể hiện mối liên hệ giữa phân bố năng lượng hạt và khả năng sinh điện thế, đặc biệt quan trọng khi nghiên cứu hiệu ứng lượng tử trong cấu trúc nano.

• k_B (1.38×10⁻²³ J/K): hằng số Boltzmann.
• q (1.6×10⁻¹⁹ C): điện tích electron.
• μ: thế hóa học hạt tải, phụ thuộc nồng độ tạp chất.
• ⟨E⟩: năng lượng trung bình của hạt tải tại nhiệt độ T.

Phân loại vật liệu và giá trị Seebeck

Kim loại thường có hệ số Seebeck thấp, dao động trong khoảng 1–10 µV/K do mật độ electron tự do cao khiến phân bố năng lượng hạt gần nhau, ít tạo được chênh lệch điện thế lớn. Ví dụ bạc, đồng, nhôm đều có S dưới 5 µV/K ở 300 K.

Bán dẫn nguyên khối hoặc pha tạp chất cho giá trị S cao hơn nhiều, từ 100–1000 µV/K, phụ thuộc mức độ doping và nhiệt độ hoạt động. Các bán dẫn nhiệt điện cổ điển như Bi₂Te₃, PbTe, SiGe có S khoảng 200–300 µV/K ở nhiệt độ phòng, lý tưởng cho pin nhiệt điện ứng dụng.

Vật liệu mới như oxide, hợp chất half-Heusler, và cấu trúc nano siêu mỏng cho thấy S có thể vượt 400 µV/K nhờ hiệu ứng lượng tử và chặn phonon. Thiết kế đa lớp (graded materials) kết hợp nhiều thành phần cũng giúp tối ưu S đồng thời giảm độ dẫn nhiệt.

Vật liệu	Loại	Giá trị S (µV/K at 300 K)
Đồng (Cu)	Kim loại	~1.7
Bi2Te3	Bán dẫn	~230
PbTe	Bán dẫn	~250
SiGe	Bán dẫn	~200
Ngoại vi nano Bi nanowire	Nano	~400

Phương pháp đo và xác định hệ số Seebeck

Đo hệ số Seebeck thường được thực hiện trong các phòng thí nghiệm sử dụng một hệ thống đo áp suất nhiệt độ chính xác. Mẫu vật liệu được đặt giữa hai khối nhiệt độ khác nhau, thường là 300 K và 310 K, rồi đo áp điện thế phát sinh ΔV bằng máy đo vôn kế độ chính xác cao.

Phương pháp hai đầu đo (two-probe) là cách đơn giản nhất: hai điện cực tiếp xúc trực tiếp với mẫu, đo ΔV khi tạo ΔT. Nhược điểm là dễ bị sai số do điện trở tiếp xúc và nhiệt đối lưu.

• Phương pháp bốn đầu đo (four-probe): Giảm sai số tiếp xúc bằng hai điện cực cấp dòng và hai điện cực đo điện áp riêng biệt.
• Hệ thống đo tự động: Thiết bị như ZEM-3 (Advance Riko) cho phép đo đồng thời S, độ dẫn điện (σ) và độ dẫn nhiệt (κ) theo tiêu chuẩn ASTM E 1499.

Đường cong Seebeck S(T) thu được từ loạt phép đo ở nhiều nhiệt độ cho phép đánh giá tính ổn định và phụ thuộc nhiệt độ của vật liệu. Dữ liệu này cũng được dùng để tính hệ số hiệu suất nhiệt điện ZT theo công thức:

$ZT = \frac{S^2 \sigma T}{\kappa}$

Ứng dụng trong pin nhiệt điện

Pin nhiệt điện (thermoelectric generator – TEG) khai thác hiệu ứng Seebeck để chuyển đổi nhiệt dư thải thành điện năng. Các module TEG thường làm bằng Bi₂Te₃ ở nhiệt độ phòng và PbTe, SiGe cho nhiệt độ cao đến 800 K.

Trong công nghiệp, TEG gắn vào ống xả lò hơi, động cơ diesel, thu hồi đến 5–8% năng lượng nhiệt thải, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải CO₂ (NREL – Thermoelectrics).

• Ô tô: Lắp TEG trên ống xả, cung cấp điện cho hệ thống phụ trợ, giảm tải máy phát.
• Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến không cần nguồn ngoài, ứng dụng trong không gian vũ trụ và môi trường khắc nghiệt.
• Thiết bị đeo: Sử dụng chênh nhiệt độ cơ thể – môi trường để cấp điện cho cảm biến y sinh.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số Seebeck

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng: S thường tăng khi T tăng đến một giá trị tối ưu, sau đó giảm do truyền nhiệt phonon và tương tác electron-photon mạnh hơn.

Độ pha loãng tạp chất (doping) điều chỉnh mật độ hạt tải, ảnh hưởng ngược chiều lên S và độ dẫn điện σ. Mật độ thấp cho S lớn nhưng σ nhỏ, và ngược lại, đòi hỏi cân bằng để tối ưu ZT.

Yếu tố	Ảnh hưởng lên S	Ảnh hưởng lên σ
Nhiệt độ T	+	–
Nồng độ tạp chất	– (quá cao)	+
Kích thước hạt nano	+	– (tăng tán xạ)

Cấu trúc vật liệu như nano hạt, lớp mỏng và siêu cấu trúc tạo ra hiệu ứng lượng tử, cải thiện S bằng điều chỉnh mật độ trạng thái electron và giảm truyền nhiệt phonon.

Tối ưu hóa vật liệu nhiệt điện

Nghiên cứu tập trung vào đồng thời tăng S và giảm độ dẫn nhiệt κ để nâng cao ZT. Các chiến lược phổ biến gồm:

• Doping chọn lọc: Thêm nguyên tố n-type (Bi, Sb) hoặc p-type (Pb, Na) để điều chỉnh thế hóa học và mật độ hạt.
• Cấu trúc nano: Tạo hạt nano, sợi nano để tăng tán xạ phonon, giảm κ nhưng giữ σ ổn định.
• Siêu cấu trúc: Kết hợp nhiều lớp mỏng với độ dày vài nanomet, tạo rào cản phonon và duy trì truyền electron.

Các vật liệu half-Heusler, chalcopyrite và oxit strontium titanate (SrTiO₃) cho thấy ZT > 1 ở nhiệt độ cao, hứa hẹn ứng dụng trong thu hồi nhiệt công nghiệp.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Công nghệ mô phỏng ab initio (DFT) kết hợp machine learning giúp dự báo S và ZT trên hàng nghìn cấu trúc tinh thể, rút ngắn thời gian tìm kiếm vật liệu mới (ScienceDirect – ML for Thermoelectrics).

Phát triển pin nhiệt điện mỏng, linh hoạt sử dụng polymer dẫn điện và hybrid perovskite cho thiết bị đeo (wearable), ứng dụng trong y tế và Internet of Things.

• Graded materials: thay đổi thành phần theo chiều dày để tối ưu S và giảm mất mát nhiệt.
• Thermoelectric metamaterials: thiết kế siêu cấu trúc nhân tạo để đạt S cực đại theo hướng định hướng.

Tài liệu tham khảo

• Seebeck T. J., “Magnetischer Polarisation der Metalle und Erze durch Temperatur-Differenz,” Abhandlungen der Preußischen Akademie der Wissenschaften, 1821.
• Goldsmid H. J., “Introduction to Thermoelectricity,” Springer, 2010.
• ASTM International. “E1499-19 Standard Test Method for Determining Thermoelectric Figure-of-Merit,” astm.org
• National Renewable Energy Laboratory. “Thermoelectric Research,” nrel.gov
• Jain A. et al., “Machine Learning Predictions of Thermoelectric Properties,” MRS Commun. 2020;10(4):543–550.
• Rowe D. M. (ed.), “Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano,” CRC Press, 2006.