Scalable Manufacturing of Textured Thermoelectric Thin Films of Nanosheets
Nanolevha Tabanlı Tekstüre Edilmiş Termoelektrik İnce Filmlerin Ölçeklenebilir Üretimi
- Tez No: 1021247
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MAHMUT AKŞİT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Kaplama, Nanomateryaller, Tekstüre işlemi, Termoelektrik, Ölçek büyütme, Coating, Nanomaterials, Texturing, Thermoelectric, Scale up
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Termoelektrik malzemeler, ısı enerjisinin doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesine olanak sağlayarak atık ısı geri kazanımı için potansiyel bir yaklaşım sunmaktadır. Oda sıcaklığına yakın termoelektrik uygulamalarında kullanılan malzemeler arasında Sb2Te3, uygun elektronik taşınım özellikleri ve anizotropik kristal yapısı nedeniyle en çok çalışılan p-tipi katmanlı tellürlerden biridir. Ancak katmanlı Sb2Te3 malzemesinin sahip olduğu intrinsik termoelektrik potansiyelin ölçeklenebilir ince film yapılarına aktarılması hâlâ önemli bir zorluktur. Bunun temel nedeni, film performansının kristalografik tekstür, parçacıklar arası temas, gözeneklilik ve elektriksel bağlantı kalitesine güçlü şekilde bağlı olmasıdır. Sb2Te3 ince filmler, bulk peletler, tek kristaller, doplanmış Sb2Te3 sistemleri ve vakum yöntemiyle biriktirilmiş Sb2Te3 filmler literatürde raporlanmış olsa da Sb2Te3 nanolevha kaplamalarına yönelik sıcaklığa bağlı malzeme düzeyinde termoelektrik karakterizasyon içeren doğrudan karşılaştırılabilir çalışmalar oldukça sınırlıdır. Bu tez kapsamında, Sb2Te3 nanolevhalara dayalı tekstüre edilmiş termoelektrik ince filmlerin ölçeklenebilir bir kesme kuvveti destekli kaplama yöntemiyle üretimi sunulmuştur. Sb2Te3 nanolevhalar ilk olarak SbCl3 ve Na2TeO3 başlangıç malzemeleri kullanılarak solvotermal yöntemle sentezlenmiştir. Sentezlenen toz, taramalı elektron mikroskobu ile karakterize edilmiş ve tozun anizotropik kristal büyümesine özgü poligonal ve hekzagonal morfolojilere sahip levha benzeri nanoyapılardan oluştuğu belirlenmiştir. X-ışını kırınımı analizi, kristalin Sb2Te3 tozlarının oluştuğunu doğrulamıştır. Sentezlenen nanolevhalar izopropil alkol içerisinde dağıtılmış ve polimer altlıklar üzerine kesme kuvveti destekli kaplama yöntemiyle kaplanmıştır. Kaplanan filmler, nanolevha-nanolevha temasını ve film bütünlüğünü iyileştirmek amacıyla 400 °C'de 1 saat tavlanmıştır. SEM gözlemleri, filmlerin birbiri üzerine örtüşen Sb2Te3 nanolevhalardan oluştuğunu ve sürekli bir nanolevha ağı meydana getirdiğini göstermiştir. Kaplanmış filmin XRD analizi, film oluşumu ve ısıl işlem sonrasında kristalin Sb2Te3 fazının korunduğunu ortaya koymuştur. Serbest toz ve kaplanmış filmlerin XRD desenleri arasındaki farklılıklar, kesme kuvveti destekli kaplama sonrasında nanolevhalarda tercihli yönlenme oluştuğunu göstermektedir. Sıcaklığa bağlı düzlem içi termoelektrik ölçümler, sıvı azot soğutmalı bir ölçüm sistemi kullanılarak 80-300 K aralığında gerçekleştirilmiştir. Film, tüm ölçüm sıcaklık aralığında pozitif Seebeck katsayısı sergileyerek p-tipi taşınım davranışını doğrulamıştır. Sıcaklık 80 K'den 300 K'ye yükseldikçe elektriksel iletkenlik 138,1 S.cm-1 değerine ulaşmış, Seebeck katsayısı 67,1'den 104,7 µV.K-1 değerine yükselmiş ve güç faktörü 0,622'den 2,052 µW.cm-1K-2 değerine artmıştır. Elde edilen sonuçlar, solvotermal yöntemle sentezlenen Sb2Te3 nanolevhaların kesme kuvveti destekli kaplama yöntemi kullanılarak tekstüre edilmiş ince filmler hâline getirilebildiğini göstermektedir. Sonuçlar ayrıca film morfolojisi, nanolevha yönlenmesi, yoğunluk ve parçacıklar arası etkileşimin Sb2Te3 nanolevha filmlerinin termoelektrik performansını belirleyen kritik faktörler olduğunu ortaya koymaktadır. Filmlerin homojenliğini, yoğunlaşmasını ve elektriksel taşınım özelliklerini geliştirmek için daha fazla optimizasyon gerekmekle birlikte, önerilen yaklaşım tekstüre edilmiş katmanlı tellürlü termoelektrik ince filmlerin ölçeklenebilir üretimi için umut verici bir üretim rotası sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Thermoelectric materials allow direct conversion of thermal energy to electrical energy and present a potential avenue for waste heat recovery. Sb2Te3 is one of the most studied p-type layered tellurides for the family of near-room-temperature thermoelectrics, due to its desirable electronic transport properties and anisotropic crystal structure. But the translation of the intrinsic thermoelectric potential of layered Sb2Te3 into scalable thin-film structures is challenging, because the performance of films is strongly dependent on crystallographic texture, interparticle contact, porosity, and electrical connectivity. Although Sb2Te3 thin films, bulk pellets, single crystals, doped Sb2Te3 systems, and vacuum-deposited Sb2Te3 film have been reported, directly comparable studies on Sb2Te3 nanosheet coating with temperature-dependent material-level thermoelectric characterization remain very limited. In this thesis, the fabrication of textured thermoelectric thin films based on Sb2Te3 nanosheets thin films on Kapton substrates by a scalable shear-force-assisted coating method is introduced. Sb2Te3 nanosheets were first synthesized by a solvothermal method using SbCl3 and Na2TeO3 as precursor materials. The synthesized powder was characterized by scanning electron microscopy, and it was found that the powder consisted of plate-like nanosheets with polygonal and hexagonal morphologies, typical of anisotropic crystal growth. X-ray diffraction confirmed the formation of crystalline Sb2Te3 powders. The as-synthesized nanosheets were dispersed in isopropyl alcohol and coated onto Kapton substrates by shear-force-assisted coating. The coated films were annealed at 400 °C for 1 hour to improve the nanosheet-nanosheet contact and the film integrity. SEM observation revealed that the films were composed of overlapping Sb2Te3 nanosheets, forming a continuous nanosheet network. XRD analysis of the coated film revealed that the crystalline Sb2Te3 phase was preserved after the film formation and thermal treatment. The differences in XRD patterns between the loose powder and coated films suggested a preferential orientation of the nanosheets after the shear force assisted coating. Temperature dependent in-plane thermoelectric measurements were performed between 80 and 300 K in a liquid-nitrogen-cooled measurement system. The film exhibited positive Seebeck coefficients over the entire measured temperature range, confirming p-type transport behavior. As the temperature increased 80 to 300 K, the electrical conductivity increased 138.1 S.cm-1, the Seebeck coefficient increased from 67.1 to 104.7 µV.K-1, and the power factor increased from 0.622 to 2.052 µW.cm-1K-2. The results show that solvothermal synthesized Sb2Te3 nanosheets can be assembled into textured thin films using a shear-force-assisted coating method. The novelty of this work lies in combining Sb2Te3 nanosheet synthesis, Kapton-supported flexible thin-film formation, mechanically assisted alignment, and temperature-dependent thermoelectric characterization within a scalable coating framework. Although further optimization is required to improve film uniformity, densification, and electrical transport, the proposed approach provides a promising manufacturing route for textured layered telluride thermoelectric thin films.
Benzer Tezler
- Determining the cleaning period of PV solar panels using image-processing simulation
Görüntü işleme ve simülasyon kullanılarak fotovoltaik güneş panellerinin temizlik periyodunun belirlenmesi
MALİK CEBRAIL
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEYDA AKSOY TIRMIKÇI
- GPU üzerinde yazılım tabanlı anten gerçeklenmesi
Realization of software-defined antenna on GPU
ABDULLAH BAKIRTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELÇUK PAKER
- A learning-centric end-to-end hybrid system for in-situ thermographic inspection in automated fiber placement
Otomatik fiber yerleştirmede yerinde termal denetim için öğrenme tabanlı uçtan uca hibrit bir sistem
MUHAMMED ZEMZEMOĞLU
Doktora
İngilizce
2025
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜNEL
- Hierarchical and modular control of reconfigurable manufacturing systems
Yeniden ayarlanabilir üretim sistemlerinin hiyerarşik ve modüler kontrolü
ÖVÜL ARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KLAUS VERNER SCHMİDT
- A scalable and adaptive digital twin architecture for intelligent management of complex systems
Karmaşık sistemlerin akıllı yönetimi için ölçeklenebilir ve uyarlanabilir bir dijital ikiz mimarisi
EROL ÖZKAN
Doktora
İngilizce
2025
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolHacettepe ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SUAT ÖZDEMİR