Väitös kehittyneiden materiaalien ja fotoniikan alalta, DI Tomi Koskinen

Väitöskirjan nimi: Nanostructured thermoelectric materials for transparent and flexible applications

Tohtoriopiskelija: Tomi Koskinen
Vastaväittäjä: Prof. Nini Pryds, DTU, Denmark
Kustos: Prof. Ilkka Tittonen, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu, elektroniikan ja nanotekniikan laitos

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

Nanorakenteilla läpinäkyviä ja taipuisia materiaaleja lämmön muuntamiseen sähköksi 

Lämpösähköiset materiaalit mahdollistavat ympäristössä esiintyvien lämpötilaerojen muuntamisen sähköksi. Tällaisia materiaaleja voidaan hyödyntää elektroniikassa sekä tehonlähteenä että anturielementteinä sovelluskohteeseen integroituna. Tässä väitöskirjassa tutkittiin nanorakenteisia lämpösähköisiä materiaaleja sovelluksiin, jossa vaaditaan läpinäkyvyyttä ja taipuisuutta. 

Ensimmäiseksi väitöskirjassa tutkittiin GaAs-AlAs -nanolankahilojen lämpöominaisuuksia. AlAs-vaipparakenteen havaittiin madaltavan nanolankahilojen lämmönjohtavuutta. Kuorirakenteen paksuuden hallinta voi mahdollistaa vastaavia rakenteita hyödyntävien optoelektronisten laitteiden tehonkulutuksen vähentämisen. Läpinäkyvien lämpösähköisten materiaalien osalta keskityttiin atomikerroskasvatusmenetelmällä valmistettuihin sinkkioksidiohutkalvoihin. Menetelmän avulla sinkkioksidia seostettiin ensin zirkonilla ja sitten alumiinilla. Jälkimmäistä materiaalia myös kasvatettiin konformaalisesti alumiinioksidinanoruohon pinnalle, minkä havaittiin parantavan sekä sinkkioksidin läpinäkyvyyttä että sähkönjohtavuutta tasaiselle lasialustalle kasvatukseen verrattuna. 

Lisäksi tutkittiin taipuisiin lämpösähköisiin sovelluksiin soveltuvia materiaaleja. Metallo-orgaanisella kaasufaasiepitaksialla suoraan muoville kasvatettujen InAs-nanolankaverkkojen havaittiin säilyttävän lämpösähköiset ominaisuutensa toistuvasta taivuttamisesta huolimatta. Nanolankaverkkoihin pohjautuvan taipuisan generaattorin valmistaminen demonstroitiin hyödyntämällä nanolankaverkkokalvon kuviointia jo kasvatusvaiheen yhteydessä. Lopuksi esiteltiin ruiskutettavaan grafeenimusteeseen pohjautuva lämpötilajakauma-anturi, jonka osoitettiin pystyvän havainnoimaan lämpötilaeroja laajoilta alueilta sekä tunnistamaan kappaleiden muotoja lämpötilaerojen perusteella. 

Tämä väitöskirja tarjoaa uusia menetelmiä toiminnallisten lämpösähköisten materiaalien valmistamiseen ja esittelee tapoja nanorakenteiden hyödyntämiseen läpinäkyvyyden ja taipuisuuden parantamisessa.

Yhteystiedot: 

Sähkötekniikan korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/53