Geri Dön

Thermoelectric properties of laser-induced graphene based nanocomposites

Lazer indüklenmiş grafen tabanlı nanokompozitlerin termoelektrik özellikleri

  1. Tez No: 910903
  2. Yazar: CEM KINCAL
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Science and Technology, Physics and Physics Engineering, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 111

Özet

Giyilebilir elektronik cihazlar, kişisel teknolojinin sınırlarını genişleterek, akıllı saatler gibi geleneksel cihazların ötesinde yenilikçi çözümler sunmaya başlamıştır. Bu giyilebilir cihazlar; gelişmiş sensörler, çeşitli tıbbi cihazlar, giyilebilir ısıtıcı ürünleri gibi birçok alanda kendini göstermektedir. Özellikle sağlık takibi alanında hayati belirtileri, fiziksel aktiviteleri ve diğer bedensel metrikleri (vücut sıcaklığı, tansiyon, nabız, kan şekeri v.b.) izleyebilme kabiliyetleri, giyilebilir elektroniği oldukça önemli bir hale getirmektedir. Son yıllarda büyük bir ivmeyle gelişen Nesnelerin İnterneti (IoT) ile entegre edildiğinde, giyilebilir cihazlar, topladığı bedensel metrikleri anlık olarak paylaşabilmektedir. Bu anlık veri paylaşımı, özellikle sağlık profesyonellerine hastaların durumunu sürekli olarak izleme ve hızlı müdahale etme imkanı sağlayabilmektedir. Böylece, kişiselleştirilmiş tedavi süreçlerinin geliştirilmesi ve acil durumların daha hızlı tespit edilmesi sağlanarak kişisel sağlık yönetiminin mükemmelleştirilmesi sağlanabilmektedir. Giyilebilir teknolojiye entegre edilen IoT teknolojisinin geliştirilmesindeki en önemli problemlerden biri, sürdürülebilir ve stabil bir güç kaynağı eksikliğidir. Nesnelerin İnterneti (IoT) ve giyilebilir mikroelektronik sistemlerin hızla gelişmesiyle birlikte, kablolar veya pil gerektirmeyen giyilebilir güç kaynağı ihtiyacı önemli hale gelmiştir. Bu nedenle son yıllarda, insan vücudundan veya çevreden enerji toplayarak kendi kendine güç sağlayan sistemler ve bu sistemlerin giyilebilir elektroniğe entegrasyonu son yıllarda oldukça yoğun bir şekilde araştırılmaktadır. Piezoelektrik nanoüreteçler, triboelektrik nanoüreteçler ve güneş enerjisi üreteçleri kendi kendine enerji üretebilen (enerji hasadı yapabilen) uygulamalar arasında en öne çıkanlarıdır. Ancak, bahsedilen enerji kaynaklarının çoğu süreklilik ve stabilite konusunda problemle karşılaşmaktadır. Örneğin, giyilebilir fotovoltaik hücreler iç mekanda kaldıklarında veya güneş battıktan sonra yetersiz ışık nedeniyle çalışamamaktadır. Öte yandan, insan hareketlerine dayalı enerji hasat sistemleri (piezoelektrik nanoüreteçler ve triboelektrik nanoüreteçler) sürekli hareket gerektirdiğinden benzer sorunlarla karşılaşmaktadır. Bu sorunların üstesinden gelmek için, giyilebilir termoelektrik üreteçler (w-TEG'ler) önemli bir aday olarak öne çıkmaktadır. Giyilebilir termoelektrik üreteçler insan vücut ısısını kullanarak Seebeck etkisi yoluyla sürekli olarak elektrik enerjisine dönüştürdüğünden dolayı stabil ve sürdürülebilir bir yöntem sunmaktadırlar. Grafen, grafit, grafen oksit ve karbon nanotüpler (CNT), doğada kolayca bulunabilen malzemelerden üretilebildikleri ve çevre dostu özelliklere sahip oldukları için çeşitli enerji uygulamaları açısından büyük ilgi görmektedirler. Hem teorik hem de deneysel çalışmalar, grafenin; ayarlanabilir bant aralığı ve oldukça yüksek yük taşıyıcı mobilitesi nedeniyle termoelektrik uygulamalar için umut verici bir malzeme olduğunu göstermiştir. Grafenin termoelektrik uygulamalar için bu yüksek potansiyeline rağmen, grafen ve grafitin termoelektrik kullanımında karşılaşılan büyük bir problem, yüksek termal iletkenlikleridir. Bu sorunu aşmak için, literatürdeki güncel çalışmalar termal iletkenliği azaltırken yeterli elektrik iletkenliği ve Seebeck katsayısını koruyan gözenekli grafen köpük yapıları üzerinde durmaktadır. Ancak, bu köpük yapıların oluşturulması için kullanılan üretim yöntemleri karmaşık olup, ölçeklenebilirlik ve pratik uygulamalar açısından zorluklar oluşturmaktadır. 2014 yılında, Lin ve çalışma arkadaşları geliştirdikleri teknik ile, ticari, düşük maliyetli ve yaygın bulunabilen poliimid filmlerin normal ortam şartlarında CO2 lazer ile belirli lazer güç aralığında uyarılması sonucu poliimid yüzeyinin üç boyutlu gözenekli lazer indüklenmiş grafen (LIG) yapısına dönüştüğünü keşfetmişlerdir. Bu keşifin ardından araştırmalar, LIG'ın esnek yapısı, yüksek ve kontrol edilebilir gözenekliliği ve yüksek elektriksel iletkenliği gibi özelliklerini ortaya çıkarmıştır. Bu özellikleri LIG'ı giyilebilir elektronik teknolojilerindeki birçok uygulama için de ideal kılmaktadır. LIG, yüksek elektrik iletkenliği ve lazer parametreleri optimizasyonu ile değiştirilebilen iş fonksiyonu (work function) sayesinde termoelektrik uygulamalar için umut verici bir malzeme olarak öne çıkmaktadır. Ayrıca, LIG, gözenekli yapısı nedeniyle düşük termal iletkenlik gösterir, bu da termoelektrik uygulamalar için arzu edilen bir özelliktir. LIG ve uygulamaları üzerine kapsamlı araştırmalar olmasına rağmen, mevcut literatürde LIG'nin termoelektrik özellikleri üzerine hiçbir çalışma bulunmamaktadır. Bu tez kapsamındaki çalışmada 1064 nm dalgaboyuna sahip lazer kullanılarak poliimid (PI) yüzeyi LIG'a dönüştürülmüştür. Poliimid üzerindeki lazer indüklemeli grafenin termoelektrik özellikleri ve bu özelliklerin LIG'nin yapısal modifikasyonlarına bağlı olarak nasıl değiştiği araştırılmıştır. Lazer ile tarama parametreleri detaylı olarak çalışılmış ve bu parametrelerin LIG oluşumu üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Özellikle, en önemli parametrelerden biri olan lazer numune arası mesafe üzerine deneysel ve hesaplamalı çalışmalar yapılmıştır. Poliimid'in lazer odak noktasından daha aşağı mesafelere yerleştirilmesi sonucu üzerine düşen lazer nokta çapının arttığı gözlemlenmiş, artan çap ile alan başına gelen lazer enerjisinin değiştiği hesaplanıp deneysel olarak kanıtlanmıştır. Poliimid lazer odak noktası arası mesafe sistematik olarak çalışılmış; odak noktasından 6mm veya daha az mesafelere yerleştirilen poliimidin LIG'a dönüşemediği, bu mesafelerde yapılan farklı lazer güçlerindeki denemelerin ya poliimidin dönüşememesine yada tamamen yanmasına neden olduğu gözlemlenmiştir. Poliimid, lazer odak noktasının 7 mm aşağısına yerleştirildiğinde 5 W ile başarılı bir şekilde LIG'a dönüştüğü gözlemlenmiş, bu mesafedeki güç değerleri referans alınarak gauss lazer modeli kullanılarak 7 mm üzerindeki mesafeler için gereken dönüşüm güçleri hesaplanmıştır. Bu değerler ile deneysel veriler karşılaştırılmış, belirli mesafelerden sonra deneysel verilerin saptığı gözlemlenmiştir. Bu durumun lazerin radyal mesafede olan dağılımının değişen lazer spot çapı ile değişmesinden dolayı olduğu gözlemlenmiştir. Termoelektrik özelliklerinin araştırılması için optimum lazer odak noktası numune arası mesafe 10.5 mm olarak bulunmuştur. Bu mesafede yapılan deneylerde poliimid üzerindeki lazer kazıma gücünün artırılmasının daha büyük grafen pulları ve daha yüksek derecede grafitizasyona yol açtığı gösterilmiştir. Elektrik iletkenliği ölçümleri, lazer gücünün artırılmasıyla birlikte elektrik iletkenliğinin arttığını göstermiş ve bu da grafitizasyon derecesinin artmasıyla artan yük taşıyıcı mobilitesi ile açıklanabileceğini ortaya koymuştur. Bu çalışma sırasında, LIG örneklerinin Seebeck katsayısını doğru bir şekilde ölçmek için ev yapımı bir Seebeck ölçüm sistemi geliştirilmiştir. Bu sistem, LIG'nin iyi kontrol edilen sıcaklık farkı altında hassas ölçümlerini sağlayan düzlemsel (in-plane) Seebeck katsayısı ölçümü için özelleştirilmiştir. Sistem çeşitli role düzenekleri kullanılarak otonom hale getirilmiştir. Referans numune ölçümleri hata payının %5 - %10 arasında olduğunu göstermiştir. Termoelektrik ölçüm sonuçları, LIG'ın pozitif Seebeck katsayısı ile karakterize edilen p-tipi yarı iletken davranışı sergilediğini ortaya koymuştur. Lazer gücünün arttırılmasının, grafen pulları üzerinde meydana gelen yapıların sebep olduğu yük taşıyıcı enerji filtreleme etkisine bağlı olarak Seebeck katsayısını ve elektrik iletkenliğini eş zamanlı olarak arttırdığı gösterilmiştir. Burada elektrik iletkenliğinin artmasının en önemli sebebinin artan grafitizasyona bağlı olarak artan yük taşıyıcı mobilitesi olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, LIG'nin gözenekli yapısının, 0,6 W/m·K ile 0,85 W/m·K arasında değişen nispeten düşük termal iletkenliğine katkıda bulunduğu ve bu durumun LIG'ın termoelektrik performansını artırdığı belirlenmiştir. LIG'ın gözenekli yapısı ve bu gözenekler arasındaki arayüzler fononlar için saçılma noktaları oluşturduğundan LIG'ın grafene göre oldukça düşük termal iletkenliğe sahip olduğu gözlemlenmiştir. Tüm bu özelliklerin bir araya gelmesi ile artan lazer gücüyle birlikte, lazer indüklemeli grafenin ölçülen ZT değeri yaklaşık 10 kat artırılabileceği gözlemlenmiştir. Tezin ikinci bölümünde, elektrobiriktirme ile nikel kaplanan LIG örneklerinin termoelektrik özellikleri incelenmiştir. Öncelikli olarak, yapısal analizler, SEM ve EDS kullanılarak gerçekleştirilmiş ve nikel kaplama süresi arttıkça, LIG'nin gözenekli yapısının daha az görünür hale geldiği, daha uzun kaplama sürelerinde ise nikelin yüzeyi tamamen kapladığı gözlemlenmiştir. EDS ve Raman spektroskopisi sonuçlarına göre ölçümleri metalik nikel ile birlikte yapıda nikel oksit oluşumunun da gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Termoelektrik ölçümler, LIG'ın nikel elektrobiriktirme yoluyla başarılı bir şekilde p-tipinden n-tipine dönüştürüldüğünü ortaya koymuştur. Seebeck katsayısı ölçümleri sonucunda, biriktirme süresinin artmasıyla birlikte Seebeck katsayısının -12,65 µV/K'den (1 dakika biriktirme süresi) -23,35 µV/K'ye (10 dakika biriktirme süresi) kadar yükseldiği gösterilmiştir. Bu çalışma, LIG'i p-tipinden n-tipine dönüştürmenin elektrobiriktirme yoluyla pratik ve basit bir süreç olduğunu ve düzlemsel termoelektrik jeneratörler için p-n bacaklar oluşturmanın uygulanabilir bir yöntemi sunduğunu göstermiştir. Elektrobiriktirme yöntemi sayesinde aynı taban üzerinde nikel ile seçici olarak elektrokaplama yapabilmek ve hem p-tipi hem de n-tipi bacaklar oluşturabilmek, maliyet etkin, ölçeklenebilir, esnek ve giyilebilir termoelektrik cihazlar için hayati öneme sahiptir. Sadece LIG'tan oluşan p-n bacaklara sahip giyilebilir TEG cihazının kullanılabilirliğini test etmek amacı ile altı bacaklı bir p-n termoelektrik jeneratör (TEG) cihazı üretilmiştir. Cihazın performansı, bir tarafın 37°C (vücut sıcaklığı) ve diğer tarafın 17°C (ortam sıcaklığı) olduğu bir sıcaklık farkında (∆T = 20°C) incelenmiştir. Bu koşullarda, cihazın 1,2 mV'luk bir Seebeck gerilimi üretebildiği gözlemlenmiştir. Bu bulgular, LIG'in yüksek performanslı ve esnek termoelektrik jeneratörler, özellikle giyilebilir enerji hasat uygulamaları için son derece umut verici bir malzeme olduğunu ortaya koymuştur.

Özet (Çeviri)

In the field of wearable thermoelectric generators, graphene-based materials have attracted attention as suitable candidates due to their low material costs and tunable electronic properties. However, their high thermal conductivity poses significant challenges. Low thermal conductivity due to the porous structure of the laser-induced graphene, combined with its affordability and scalability, positions it as a promising candidate for thermoelectric applications. In this study, thermoelectric properties of the laser-induced graphene (LIG) on polyimide and their dependence on structural modifications of LIG were investigated. Furthermore, it was shown that increasing the laser scribing power on polyimide results in larger graphene flakes and a higher degree of graphitization. Electrical conductivity measurements indicated an increase with increasing laser power, due to a higher degree of graphitization, which enhances charge carrier mobility. During this study, a homemade Seebeck measurement system was developed to accurately measure the Seebeck coefficient of the LIG samples. This system is specialized for in-plane Seebeck coefficient measurement which enables precise measurements of LIG under well controlled temperature differences. Our findings reveal that LIG exhibits p-type semiconducting behaviour, characterized by a positive Seebeck coefficient. It was shown that increasing laser power increased the Seebeck coefficient and electrical conductivity simultaneously, which is attributed to a charge carrier energy filtering effect arising from structures occurred on the graphene flakes. Moreover, the porous structure of LIG contributes to its relatively low thermal conductivity, ranging between 0.6 W/m·K and 0.85 W/m·K, which enhances the thermoelectric performance of LIG. It has been observed that with increasing laser power, the figure of merit for laser-induced graphene can be enhanced by nearly 10 times. In the second part of the thesis, the thermoelectric properties of LIG samples that are electrodeposited with were studied. The primary focus was on converting LIG from p-type to n-type through nickel electrodeposition. The thermovoltage versus temperature difference curves showed positive slope indicating negative Seebeck coefficent which means n-type behaviour. According to thermoelectric characterizations the Seebeck coefficient increased from -12.65 µV/K after 1 minute of deposition to -23.35 µV/K after 10 minutes of deposition. This study illustrated that converting LIG from p-type to n-type via electroplating is a practical and straightforward process, offering a viable method for creating p-n legs for in plane thermoelectric generators. Being able to selectively electroplate LIG with nickel and generate both p-type and n-type legs on the same base is essential for realizing cost effective, scalable, flexible and wearable thermoelectric devices. These findings demonstrated LIG is a highly promising material for flexible and high performance thermoelectric generators, particularly in wearable and portable energy harvesting applications. In these applications, fabricating p-n legs on flexible substrates is crucial, as they significantly enhance device efficiency and versatility. This approach is particularly promising for use in all-in-one wearable devices with self-powering systems, which harness human body heat, a consistently stable and reliable energy source for wearable technology.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    772708

    Photocurrent generation in low dimensional nanomaterials

    Düşük boyutlu malzemelerde fotoakım üretimi

    MOHAMMADALI RAZEGHI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ TALİP SERKAN KASIRGA

  2. Tez No

    474362

    Dynamic properties of phase change in Ge2Sb2Te5 (GST) based nano memory cells & magnetic bubbles in thin film perpendicular anisotropy nanomagnets

    Ge2sb2te5 (gst) tabanlı nano hafıza hücrelerindeki faz gecçişinin ve ince film dikey anisotropili nano mıknatıslardaki manyetik baloncukların dinamik özellikleri

    İBRAHİM ÇİNAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Fizik ve Fizik MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZHAN ÖZATAY

  3. Tez No

    400669

    Thermoelectric properties of Si-based two dimensional structures

    Başlık çevirisi yok

    SEDAT AĞAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2000

    Fizik ve Fizik MühendisliğiUniversity of Warwick

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. T. E. WHALL

    PROF. E. H. C. PARKER

  4. Tez No

    571943

    Sn-Bi-x (x=Al,Mg,Ni,Ti) ötektik alaşımları için ısı ve elektriksel iletkenliklerinin ölçümü

    Measurement of thermal and electrical conductivities for Sn-Bi-x (x=Al,Mg,Ni,Ti) eutectic alloys

    HÜSEYİN GÜVEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Metalurji MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FATMA MEYDANERİ TEZEL

  5. Tez No

    485179

    CaO-XO-CoO (X= Na, Ba, Sr, La) faz diyagramlarının tespiti ve termoelektrik özelliklerinin incelenmesi

    Determination of phase diagrams and investigation of thermoelectrical properties in CaO-XO-CoO (X= Na, Ba, Sr, La) systems

    ANIL DEMİRKESEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK

Geri Dön