Atomic layer deposition of thermoelectric oxide materials on textiles

摘要

Termosähköisillä materiaaleilla voidaan muuntaa lämpötilaeroja ja hukkalämpöä sähköenergiaksi. Tämä diplomityö käsittelee termosähköisiä oksidimateriaaleja ja niiden soveltamista yhteen tekstiilien kanssa. Kirjallisuusosan tarkoituksena on kartoittaa p-tyypin termosähköisiä oksidimateriaaleja ja etsiä potentiaalisia sovelluskohteita termosähköisille ohutkalvomoduuleille. Lisäksi kirjallisuusosassa keskitytään atomikerroskasvatustekniikan (ALD) soveltamiseen tekstiileille. Kokeellisessa osassa tavoitteena on kasvattaa kiteisiä oksidiohutkalvoja tekstiileille ja tutkia kalvojen ominaisuuksia. Tarkoituksena on selvittää sopivat kasvatusparametrit ja se, miten tekstiilisubstraatti vaikuttaa materiaalin ominaisuuksiin. Lisäksi tutkitaan hybridisuperhilarakenteen ja seostamisen vaikutusta oksidin ominaisuuksiin.Oksidimateriaalit ovat potentiaalinen vaihtoehto korvaamaan tällä hetkellä käytetyt raskaisiin metalleihin pohjautuvat termosähköiset materiaalit, koska ne kestävät korkeita lämpötiloja ja ovat ympäristöystävällisiä. Lisäksi ne mahdollistavat termosähköisten ohutkalvojen kasvattamisen esimerkiksi ALD:llä. Useille n-tyypin termosähköisille oksidimateriaaleille on jo kehitetty melko vakiintuneet ALD-prosessit, mutta p-tyypin materiaalit vaativat lisää tutkimusta. Potentiaalisimpia p-tyypin termosähköisiä oksidimateriaaleja kasvatettavaksi ALD:llä ovat kupari- ja nikkelioksidit. Ohutkalvomoduulit tuovat mukanaan monia etuja, kuten pienen tilavuuden ja korkean tehotiheyden. Niiden potentiaalisiin sovelluskohteisiin kuuluvat muun muassa erilaiset jäähdytys- ja generaattorisovellukset, kuten hybridiaurinkokennot, implantoitavat lääketieteelliset laitteet ja puettava elektroniikka. Puettavaan elektroniikkaan liittyy ajatus ohutkalvojen kasvattamisesta suoraan tekstiilille. Polymeerien pinnoittaminen ALD:llä on melko uusi tutkimuskohde ja se sisältääkin paljon tuntemattomia ilmiöitä, sillä polymeerisubstraattien pinnat eroavat paljon yleisesti käytetyistä kiinteistä substraateista. Lisäksi tekstiilien tyypillisesti erittäin huokoinen rakenne vaikeuttaa ALD:tä entisestään. Diplomityön kokeellisessa osassa onnistuttiin todistetusti kasvattamaan kiteistä sinkkioksidia sekä puuvillaiselle tekstiilille että langalle. Tämä todistettiin röntgendiffraktiomittausten avulla. Tulosten perusteella sekä dietyylisinkin että veden optimaaliseksi pulssiajaksi määritettiin 1,5 s ja huuhteluajaksi 10 s. Sinkkioksidia myös seostettiin alumiinilla ja lisäksi sen rakennetta muokattiin hybridisuperhilaksi lisäämällä rakenteeseen säännöllisesti orgaanisia kerroksia. Ohutkalvoista tutkittiin niiden rakenteellisia, termosähköisiä ja tekstiilin käytön kannalta olennaisia ominaisuuksia. Tulosten perusteella sekä hybridisuperhilarakenne että seostaminen parantavat sinkkioksidin termosähköisiä ominaisuuksia.