Development and characterisation of novel coatings and thin films for high-efficiency smart thermoelectric materials and modules
Yüksek verimlilikli akıllı termoelektrik malzemeler ve modüller için yenilikçi kaplamaların ve ince filmlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
- Tez No: 942549
- Danışmanlar: PROF. HANSHAN DONG
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: The University of Birmingham
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 186
Özet
Bu doktora çalışması, ileri kaplamalar ve ince filmler geliştirilerek termoelektrik malzemelerde ve modüllerde yüksek ve düşük sıcaklıklarda ısıdan enerjiye dönüşüm verimliliğini artırmaya odaklanmıştır. İlk olarak, bu doktora projesinde kullanılan P-tipi (Zr,Ti)Co(Sn,Sb) ve N-tipi (Zr,Ti)Ni(Sn,Sb) yarı-Heusler termoelektrik (TE) malzemelerinin orta-yüksek sıcaklıklardaki oksidasyon davranışı ve mekanizması taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı spektrometre (EDX) ve X-ışını difraksiyonu (XRD) kullanılarak incelenmiştir. Bu TE malzemelerinin yüzey morfolojisi ve bileşiminin 500°C'deki döngüsel oksidasyondan sonra tamamen değiştiği gözlemlenmiştir. N-tipi ve P-tipi TE malzemelerin yüzeyinde sırasıyla SnO2+Ni3Sn4+(Zr,Ti)O2 ve CoSb+SnO2+Sb2O4+(Zr,Ti)O2'den oluşan çok katmanlı yapılar oluşmuştur. Ayrıca, N-tipi ve P-tipi TE malzemelerin yüzeyinde, 600°C'de 50 saat boyunca statik olarak oksitlendiğinde kalın çift katmanlar (sırasıyla SnO2+Ni3Sn4 ve SnO2+CoSb) meydana gelmiştir. Elde edilen bulgulara dayanarak, ileri oksidasyon dirençli CrSi kaplamalar geliştirilmiş ve bu TE malzemelerine magnetron püskürtme fiziksel buhar biriktirme (PVD) tekniği kullanılarak uygulanmıştır. CrSi kaplamalar, oksidasyon kinetiğini etkili bir şekilde azaltarak, hem N-tipi ((Zr,Ti)Ni(Sn,Sb)) hem de P-tipi ((Zr,Ti)Co(Sn,Sb)) TE malzemelerini, oksidasyon yönteminden (statik veya döngüsel) bağımsız olarak, 500°C ve 600°C'de oksidasyona karşı koruyabilmektedir. Termoelektrik malzemelerin ve modüllerin verimliliğini artırmak için, P-tipi yarı-Heusler TE malzemelerinin ((Zr,Ti)Co(Sn,Sb)) arayüzü, yüksek elektriksel ve termal iletkenliğe sahip Ni/NiGO kaplamalar ile metalize edilmiştir. Bu kaplamalar, diğer kaplama yöntemlerine göre daha esnek ve maliyet açısından daha uygun olan elektro-fırça kaplama yöntemi kullanılarak uygulanmıştır. Bulgular, Ni/NiGO kaplamaların metalizasyonunun, grafen oksit (GO) ilavesinin kaplama tabakasının elektriksel iletkenliğini artırmada önemli bir etkisi olmamasına rağmen, P-tipi TE malzemesinin ara yüzey ve levha direncini önemli ölçüde azalttığını göstermiştir. Ek olarak, Ni kaplamalar malzemeyi yüksek sıcaklıklarda oksidasyondan korumuştur. Düşük sıcaklık uygulamalarında pratik olarak kullanılan Bizmut Tellürür (BiTe bazlı) TE malzemelerinin TE performansını iyileştirmek amacıyla, farklı alt tabakalar üzerine BiTe bazlı ince filmler magnetron püskürtme PVD sistemi kullanılarak üretilmiştir. Çalışmanın sonuçları, farklı alt tabakalar (cam, Kapton ve silikon) üzerine biriktirilen ince filmlerin güç çıkışının, aktif katmanların nasıl bağlandığıyla yakından ilişkili olduğunu göstermiştir. Ancak, sıcaklık arttıkça elektriksel iletkenlikle birlikte termal iletkenliğin orantılı olarak artması, zT değeri üzerinde daha fazla iyileştirme yapılmasını sınırlamıştır.
Özet (Çeviri)
This PhD study was focused on improving the heat-to-energy conversion efficiency at high and low temperatures in thermoelectric materials and modules by developing advanced coatings and thin films. Firstly, the oxidation behaviour and mechanism of P-type (Zr,Ti)Co(Sn,Sb) and N-type (Zr,Ti)Ni(Sn,Sb) half-Heusler thermoelectric (TE) materials (used in this PhD project) at medium-to-high-temperatures were examined using scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectrometry (EDX), and X-ray diffraction (XRD). It was observed that the surface morphology and composition of these TE materials completely changed after cyclic oxidation at 500°C. Multilayer structures of SnO2+Ni3Sn4+(Zr,Ti)O2 and CoSb+SnO2+Sb2O4+(Zr,Ti)O2 formed on the surface of the N-type and P-type TE materials, respectively. Additionally, thick double-layers formed on the surface of N-type and P-type TE materials (SnO2+Ni3Sn4 and SnO2+CoSb, respectively) when statically oxidised at 600°C for 50h. Based on the findings obtained, advanced oxidation-resistant CrSi coatings were developed and deposited on these TE materials using the magnetron sputtering physical vapour deposition (PVD) technique. The CrSi coatings can effectively reduce oxidation kinetics, protecting both N-type ((Zr,Ti)Ni(Sn,Sb)) and P-type ((Zr,Ti)Co(Sn,Sb)) TE materials against oxidation at 500°C and 600°C, regardless of the oxidation methods (static or cyclic). To increase the efficiency of thermoelectric materials and modules, the interface of P-type halfHeusler TE materials ((Zr,Ti)Co(Sn,Sb)) was metallised by Ni/NiGO coatings with high electrical and thermal conductivities. These coatings were deposited using the electro-brush plating method, which is more flexible and cost-effective than other coatings methods. The findings showed that metallising Ni/NiGO coatings significantly reduced the interfacial and sheet resistances of P-type TE material although no significant effect of graphene oxide (GO) addition on increasing the electrical conductivity of the coating layer. Additionally, Ni coatings protected the material from oxidation at high temperatures. To improve the TE performance of Bismuth Telluride (BiTe-based) TE materials, which are practically used in low-temperature applications, BiTe-based thin films were produced on different substrates using the magnetron sputtering PVD system. The outcome of the study has indicated that the power output of thin films deposited on different substrates (glass, Kapton, and silicon) is closely related to how the active layers are connected. However, the proportional increase in thermal conductivity along with electrical conductivity with increasing temperature limited the further improvement of the figure of merit (zT) value.
Benzer Tezler
- Yeni nesil Si3N4:ZnO fotodiyotların üretimi ve elektro-optik karakterizasyonu
Manufacturing of novel Si3N4:ZnO photodiodes and their electro-optical characterisation
ERHAN İBRAHİMOĞLU
Doktora
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiSakarya Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAFER TATLI
PROF. DR. FATİH ÇALIŞKAN
- BIOINTERFACIAL CELL/PROTEIN–POLYMER INTERACTIONS INVESTIGATED BY QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE WITH DISSIPATION
Hücre/protein–polimer biyoarayüzündeki etkileşimlerin disipasyon izlemeli kuvars kristal mikroterazi ile incelenmesi
AYŞE BUSE ÖZDABAK SERT
Doktora
İngilizce
2023
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULHALİM KILIÇ
- Germanium alloys for optoelectronic devices
Optoelektronik aygıtlar için germanyum bileşikleri
AYŞE ERBİL
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Bölümü
PROF. DR. ATİLLA AYDINLI
- Silisyum nanotel dizileri üzerine büyütülen Ge nanoparçacık katkılı ZnO heteroeklem güneş gözelerinin geliştirilmesi
Development of Ge nanoparticles embedded ZnO heterojunction solar cells grown on silicon nanowire arrays
ALİ EMRE GÜMRÜKÇÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ABDULLAH CEYLAN
- Design, synthesis, and characterization of n-type and ambipolar small molecules as air-stable and solution-processable semiconductors in ofets
Ofet'ler için havada kararlı ve çözücüde işlenebilen n-tipi ve ambipolar küçük moleküllerin dizaynı, sentezi ve karakterizasyonu
RESUL ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
KimyaAbdullah Gül ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN USTA