Väitös, fotoniikka ja nanotekniikka, MSc Priyanka Goel

Väitöskirjan nimi: Low-dimensional thermoelectric thin films for energy and thermal sensing applications

Väittelijä: Priyanka Goel
Vastaväittäjä: Prof. Takao Mori, University of Tsukuba, Japani
Kustos: Prof. Ilkka Tittonen, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu

Hukkalämmöstä hyödyllistä energiaa ohutkalvomateriaalien avulla

Joka päivä suuri määrä energiaa menee hukkaan lämpönä elektroniikkalaitteissa, datakeskuksissa, teollisuuden prosesseissa ja energiajärjestelmissä. Elektroniikan käytön jatkuvasti kasvaessa jo pienen osan hyödyntäminen tästä hukkalämmöstä voisi parantaa energiatehokkuutta ja edistää kestävämpää energiankäyttöä.

Termosähköiset materiaalit tarjoavat yhden mahdollisuuden hukkalämmön hyödyntämiseen. Ne voivat muuttaa lämpötilaeron suoraan sähköksi ilman liikkuvia osia. Niitä voidaan käyttää myös antureissa lämpötilan ja lämpövirran mittaamiseen. Niiden laajempaa käyttöä rajoittavat kuitenkin edelleen materiaalien suorituskykyyn, laajamittaiseen valmistukseen ja nykyaikaiseen elektroniikkaan yhdistämiseen liittyvät haasteet.

Tässä väitöstutkimuksessa selvitettiin, miten termosähköisten materiaalien ominaisuuksia voidaan parantaa niiden rakennetta muokkaamalla sen sijaan, että kehitettäisiin kokonaan uusia materiaaleja. Mikro- ja nanomittakaavassa pienetkin muutokset materiaalin rakenteessa, pinnan muodossa ja eri materiaalien rajapinnoissa voivat vaikuttaa siihen, miten lämpö ja sähkövaraukset kulkevat materiaalissa. Näitä ominaisuuksia hallitsemalla voidaan siten vaikuttaa materiaalin suorituskykyyn.

Tutkimuksessa tarkasteltiin kolmea ohutkalvomateriaalia: InAlGaN:ää, titaaninitridiä (TiN) ja kuparijodidia (CuI). Tutkimuksessa käytettiin skaalautuvia ohutkalvojen valmistusmenetelmiä ja selvitettiin, miten kasvuolosuhteet, materiaalin koostumus ja rakenne vaikuttavat sen sähköisiin ja termosähköisiin ominaisuuksiin.

Erityistä huomiota kiinnitettiin kuparijodidiin, joka on termosähköinen ja samalla läpinäkyvä materiaali. Ohutkalvojen kasvua nanomittakaavassa hallitsemalla niiden termosähköistä suorituskykyä voitiin parantaa samalla, kun kalvot säilyivät optisesti läpinäkyvinä. Optimoituja kalvoja käytettiin myös lämpötilaa ja lämpövirtaa mittaavissa antureissa, mikä osoittaa niiden mahdollisuudet pienikokoisissa lämpöantureissa. Lisäksi tutkimuksessa yhdistettiin kuparijodidia pelkistettyyn grafeenioksidiin tavoitteena parantaa sähkövarausten kulkua ja materiaalin termosähköisiä ominaisuuksia.

Väitöstutkimus osoittaa, että materiaalien rakenteen huolellisella suunnittelulla mikro- ja nanomittakaavassa voidaan parantaa niiden suorituskykyä ja saada niihin uusia toiminnallisia ominaisuuksia. Tulokset tukevat ohutkalvoteknologioiden kehittämistä hukkalämmön hyödyntämiseen, lämmönhallintaan, läpinäkyvään elektroniikkaan sekä lämpötilan ja lämpövirran mittaamiseen. Näin muuten hukkaan menevä lämpö voisi tulevaisuudessa toimia sekä energian että hyödyllisen mittaustiedon lähteenä.

Avainsanat: Ohutkalvotermoelektroniikka, nanorakenteet, komposiittitekniikka, energian kerääminen, fononien kulku

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aaltodoc 

Yhteystiedot:
https://www.aalto.fi/en/department-of-electronics-and-nanoengineering/micro-and-quantum-systems