Thin film coatings with various materials and techniques for smart glass applications
Akıllı cam uygulamaları için farklı malzemeler ve tekniklerle ince film kaplamalar
- Tez No: 676588
- Danışmanlar: PROF. DR. ESRA ZAYİM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 77
Özet
Gelişen teknolojiyle açığa çıkan enerji ihtiyacını karşılamak için verimli enerji kaynaklarının yaratılması çok önemlidir. İnce filmler en fazla 1 mikro metre kalınlığında bir altlık üzerine kaplanan yapılardır ve birçok uygulamada enerji tasarrufu amacıyla kullanılabilirler. Optoelektronik, fotonik, manyetik ve bunun gibi cihazların geliştirilmesinde ve fonksiyonlaştırılmasında ince filmlerin kullanım alanları çok geniştir. Özellikle son yıllarda bina camlarında kısmi kararma özelliği sayesinde enerji verimliliği sağlamak mümkündür. İnce film güneş teknolojisi olarak da bilinen II. nesil güneş hücreleri, kromojenik ve fotovoltaik uygulamalar, büyük bina camları, gösterge panoları gibi sınırsız sayıda uygulama alanları ve hem organik hem inorganik malzeme ile üretim kolaylığı ince film kaplamaları önemli bir araştırma konusu haline getirirken enerjinin de verimli olarak kullanılmasını sağlamaktadır. Elli yılı aşkın süredir çalışılan kromojenik malzemeler, son yıllarda ticarileşme potansiyellerinin artması sebebiyle özellikle üretici firmalar ve araştırıcılar tarafından yoğun olarak çalışılmaktadır. Kromojenik malzemeler belirli dış etkenler altında tersinir olarak renk değiştiren malzemelerdir. Bu dış etkiler sıcaklık, mekanik stres, çözücü polaritesi, biyokimyasal ve hidroliz reaksiyonları olarak değişebilir ve sırasıyla termokromizm, mekanokromizm, solvatokromizm, kemokromizm ve biyokromizm olarak adlandırılır. Elektrik akımı uygulanması sonucu tersinir olarak renk değiştiren malzemelere elektrokromik malzemeler (EC) denirken, aydınlık ve kararlık ortamda bulunma durumuna göre gelen ışığın etkisi ile optik özelliklerin değiştiren malzemelere fotokromik malzemeler olarak adlandırabiliriz. Özellikle otomotiv, mimari, uçak ve cihazların dijital ekranları, gözlük camı gibi mevcut uygulamalarda kullanım alanı bulmaktadır. Özellikle büyük bina camlarındaki uygulamaları ile dikkat çeken EC ve PC camları aktif (dinamik) ve pasif camlar olarak tanımlayabiliriz. EC camlar düşük bir gerilim uygulandığında kontrollü olarak rengin değiştiği dinamik camlarken, PC kaplı camlar ışığın etkisi ile renk değiştiren camlardır. İnce film hazırlamada, kaplama yöntemleri, kullanılan başlangıç malzemeleri, kaplama parametreleri, ara yüzey fiziği gibi pek çok etki ince filmlerin yapısal, elektronik, optik gibi özelliklerini etkilerken, işlevselliğini de belirlemektedir. Bu tez çalışmasında, farklı kaplama yöntemleri ile metal geçiş oksit filmler cam altlık üzerine kaplanmıştır. İlk aşamada fiziksel bir kaplama yöntemi olan electron demeti ile buharlaşma yöntemi ile nikel oksit, silisyum oksit, alüminyum oksit ve titanyum oksit filmleri yaklaşık aynı kalınlıkta cam altlıklar üzerine kaplanmıştır. MOx ince filmleri elektron demeti buharlaştırma yöntemiyle oksijen basıncı, kaplama hızı gibi kaplanma parametrelerini ayarlayarak metalik olmayan homojen kaplamalar elde edilmiştir. Daha sonraki aşamada fotokromik özellik gösteren ve çalışma grubumuz tarafından geliştirilen YHO kaplı cam üzerine bu dört metal oksit ayrı ayrı 100-200 nm aralıklarında kaplanmıştır. Kaplama hızı, oksijen basıncı, kalınlık gibi parametreler optimize edilip YHO üzerine homojen ve fotokromik özelliklerin çıplak gözle görülebildiği enkapsülasyonlar yapılmıştır. Her metal oksit için ayrı ayrı optimizasyon çalışmaları yapılmıştır ve sonucunda hepsinde istenen homojen yapı elde edilmiştir. YHO tarafından sağlanan fotokromik özelliğin enkapsülasyon sonrasında da gözle görünür bir şekilde devamlılığı sağlanmıştır. Böylece kaplama konusunda elde ettiğimiz tecrübeyi kontrol grubu olarak YHO kaplı camlar üzerine geliştirdiğimiz MOx filmler kaplanarak PC özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. YHO ince filmlerinin fotokromik özellikleri literatürde yeni çalışılan bir konu olup YHO ince filmler oda sıcaklığında fotokromik özellikler sergilemektedir. Bununla birlikte, YHO ince filmlerinin PC performansı yalnızca foton dalga boyuna, foton yoğunluğuna, aydınlatma süresine ve ortamın sıcaklığına değil, aynı zamanda neme de duyarlıdır. Bu sebepten enkapsülasyonun PC özellikleri iyileştirmesi beklenmektedir. Yapılan kaplamalardan sonra enkapsüle edilmiş YHO kaplı camların full spectrum geçirgenliklerine ve uzun süreli optik performanslarına bakılmıştır. Yapılan ölçümler sonucu Al2O3 ve SiO2 'in uzun süreli optik performansı olumlu etkilediği ortaya çıkmıştır. Bunun yanı sıra TiO2 ile yapılan kaplamanın geçirgenlik değeri diğer metal oksit enkapsülasyonlara göre düşük kaldığı için en kötü performansı TiO2 sergilemiştir. MOx enkapsülasyon etkisi incelendikten sonra organik kaplamaların etkisi incelenmiştir. Organik malzemeler kullanılarak YHO kaplı camlar üzerine PVB ve PVP polimerleri sol-jel yöntemlerinden olan döndürmeli kaplama yöntemi ile kaplanmıştır. Hızlı, düşük maliyetli, kolay bir yöntem olan sol-jel yöntemi ile PVB ve PVP polimerleri, kaplama hızı ve çözelti konsantrasyonu değiştirilerek YHO cam kaplı filmler üzerine homojen bir şekilde kaplanmıştır. Farklı polimerik çözelti kosantrasyonları ve farklı açısal hızlar kullanılarak kaplamanın yüzeyde en homojen olduğu parametreler optimize edilmiştir. Tezin bu bölümünde metal oksitler ve polimerlerle enkapsüle edilen YHO kaplanarak uzun süreli optik performansları üzerindeki etkileri incelenmiştir. PVB ve PVP enkapsülasyonların uzun süreli optic performanslarına bakıldığı zaman PVB'nin daha uzun süre boyunca yüksek geçirgenlik gösterdiği görülmüştür. Elektron demeti ile buharlaştırma yönteminin avantajı, hassas film kalınlığı sağlanarak, aynı anda (in-situ) pota içinde birden fazla farklı malzeme kaplanabilir. Bu yöntemle MOx aynı kaplama parametreleri ile sentezlenmiştir. Tezin ilk bölümünde, fiziksel ve kimyasal kaplamalar detaylıca çalışılarak düzgün, kontrollü ince filmler sentezlenmiş ve bu inorganik ve organik malzemelerin PC (pasif cam) özellikler üzerine etkisi kısmen incelenmiştir. Aktif cam olan, akıllı cam olarak da bilinen EC camlarda, perovskit güneş hücrelerinin deşik taşıma tabakasında (HTL) yaygın olarak kullanılan nikel oksit ve tungsten oksit ince filmler kullanılmaktadır. Ticari uygulamalarda çok sık kullanılan manyetik sıçratma yöntemi ile geniş ticarileşme potansiyeli olan bu malzemeler tezin ikinci bölümünde sentezlenmiştir. Ayrıca, WO3 ve NiO literatürde yüksek stabilitesi ve dayanıklılığı sebebiyle sıkça kullanılan elektrot malzemeleridir. Bu malzemeler, yukarıdaki belirtilen uygulama alanlarının gerekliğinden dolayı saydam iletken altlıklar (ITO) üzerine manyetik sıçratma yöntemi ile kaplanmıştır. Böylece farklı fiziksel özelliklere sahip altlıklar üzerine farklı kaplama yöntemi ile hem NiO hem de WO3 başarılı bir şekilde kaplanmıştır. Tezin son aşamasında yakıt hücrelerinde, lityum iyon pillerinde, ince film bataryalarda (TFB), EC aygıtlarda elektrot malzemesi olarak kullanılan LiPON (lithium phosphorus oxy nitrade) katı elektrolit olarak, gümüş elektrotlarının üzerine manyetik sıçratma yöntemi ile kaplanmış ve karakterizasyonları yapılmıştır. Gümüş elektrotun tercih edilme sebebi katı elektrolitin altında ve üstünde iletken katmanlar oluşturmaktır. LiPON katı elektrolitlerin iyonik iletkenlik değerleri Nyquist diagramı çizilerek hesaplanmış ve literatürle karşılaştırılmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda elde edilen LiPON iyonik iletkenliği literature oranla daha düşük çıkmıştır. Özetle, cam altlıklar üzerine NiO, Al2O3, SiO2, TiO2 ince filmleri elektron demeti buharlaştırma yöntemiyle, PVB, PVP polimerleri sol-jel yöntemi ile kaplanmıştır. ITO kaplı cam altlıklar üzerine, NiO ve WO3 ince filmler püskürtme yöntemi ile kaplanmıştır. Son aşamada gümüş elektrotlar üzerine LiPON kaplanmıştır. Çok geniş uygulama alanı bulan ince filmler, farklı altlıklar üzerine başarılı bir şekilde kaplanmış ve incelenmiştir.
Özet (Çeviri)
It is very important to create efficient energy sources in order to meet the energy need emerging with the developing technology. Thin films are structures that are coated on a substrate with a thickness of up to 1 micrometer and can be used for energy saving in many applications. Thin films are widely used in the development and functionalization of optoelectronic, photonic, magnetic and similar devices. Especially in recent years, it is possible to provide energy efficiency thanks to the partial darkening feature in building windows. Also known as thin-film solar technology, II. An unlimited number of application areas such as next-generation solar cells, chromogenic and photovoltaic applications, large building glasses, dashboards, and ease of production with both organic and inorganic materials make thin film coatings an important research topic and ensure efficient use of energy. Chromogenic materials, which have been studied for more than fifty years, have been intensively studied by manufacturers and researchers in recent years due to the increase in their commercialization potential. Chromogenic materials are materials that change color reversibly under certain external factors. These external effects can vary as temperature, electric current, photon, pressure, mechanical stress and are called by different chromogenic names that describe this external effect. Materials that change color reversibly as a result of the application of electric current are called electrochromic materials (EC), while materials that change their optical properties with the effect of incident light according to their presence in a luminous and stable environment are called photochromic materials. It finds use in existing applications such as automotive, architecture, aircraft and device digital displays, and eyeglass lenses. We can define EC and PC glasses as active (dynamic) and passive glasses, which attract attention especially with their applications in large building glasses. While EC glasses are dynamic glasses in which the color changes in a controlled manner when a low voltage is applied, PC coated glasses are glasses that change color with the effect of light. In thin film preparation, many effects such as coating methods, starting materials used, coating parameters, interface physics affect the structural, electronic and optical properties of thin films, while also determining their functionality. In this thesis, metal transition oxide films were coated on the glass substrate with different coating methods. In the first stage, nickel oxide, silicon oxide, aluminum oxide and titanium oxide films were coated on glass substrates of approximately the same thickness by evaporation method with a physical coating method, e-beam. Non-metallic homogeneous coatings were obtained by adjusting the coating parameters such as oxygen pressure and coating speed by e-beam evaporation method of MOx thin films. In the next step, these four metal oxides were coated separately in the range of 100-200 nm on YHO coated glass, which showed photochromic properties and was developed by our working group. Thus, as the control group, MOx films that we developed on YHO coated glasses were coated and its effect on PC properties was examined. Photochromic properties of YHO thin films are a newly studied subject in the literature, and YHO thin films exhibit photochromic properties at room temperature. However, the PC performance of YHO thin films is sensitive not only to photon wavelength, photon intensity, illumination time and ambient temperature, but also to humidity. Therefore, encapsulation is expected to improve PC properties. After examining the effect of MOx encapsulation, the effect of organic coatings was investigated. Using organic materials, PVB and PVP polymers were coated on YHO coated glasses with the spin coating method, which is one of the sol-gel methods. With the sol-gel method, which is a fast, low-cost and easy method, PVB and PVP polymers were homogeneously coated on YHO glass-coated films by varying the coating speed and solution concentration. In this part of the thesis, the effects on long-term optical performances of metal oxides and polymers encapsulated by coating YHO were investigated. The advantage of the electron-beam evaporation method is that more than one different material can be coated in the crucible at the same time (in-situ), providing precise film thickness. With this method, MOx was synthesized with the same coating parameters. In the first part of the thesis, physical and chemical coatings were studied in detail and smooth, controlled thin films were synthesized and the effects of these inorganic and organic materials on PC (passive glass) properties were partially investigated. Nickel oxide and tungsten oxide thin films, which are widely used in the hole transport layer (HTL) of perovskite solar cells, are used in EC glasses, which are active glass, also known as smart glass. These materials, which have wide commercialization potential, were synthesized in the second part of the thesis by the magnetron sputtering method, which is widely used in commercial applications. In addition, WO3 and NiO are frequently used electrode materials in the literature due to their high stability and durability. These materials are coated on transparent conductive substrates (ITO) by magnetron sputtering method due to the necessity of the application areas mentioned above. Thus, both NiO and WO3 were successfully coated with different coating methods on substrates with different physical properties. In the last stage of the thesis, LiPON (lithium phosphorus oxy nitride), which is used as electrode material in fuel cells and EC devices, is coated as a solid electrolyte on silver electrodes by magneton sputtering method and its characterizations have been made. In summary, NiO, Al2O3, SiO2, TiO2 thin films were coated on glass substrates by e-beam evaporation method and PVB, PVP polymers were coated with sol-gel method. NiO and WO3 thin films were coated on ITO coated glass substrates by spraying method. In the final stage, LiPON was coated on silver electrodes. Thin films, which find a wide application area, have been successfully coated on different substrates.
Benzer Tezler
- Engineering M-Si (M:Ag,Cu) thin films as negative electrodes for lithium ion batteries
Lityum iyon bataryalarda negatif elektrot olarak kullanımları için M-Si (M:Ag,Cu) ince filmlerin tasarlanması
BİLLUR DENİZ KARAHAN
Doktora
İngilizce
2016
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- CeO2-TiO2(CeO2-ZrO2) ince filmlerinin oluşturulması, optik yapısal ve bazı elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi
Preparation and investigation of optical, structural and some electrochemical properties of CeO2-TiO2(CeO2-ZrO2) thin films
FARHAD E GHODSİ
- UV-ışınları ile sertleştirilen polimerik filmlerin hazırlanması, karakterizasyonu ve uygulama alanları
The Preparation, the characterization, and various applications of UV-cured polymeric films
ATTİLA GÜNGÖR
- Hofmeister serisi tuzların elektrostatik etkileşimli lbl filmlerin kararlılıklarına etkisinin QCM-D tekniği ile incelenmesi
Investigation the effect of hofmeister series salts on the stability of electrostatically interacted lbl films by QCM-D technique
SEVGİ KEMEÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ