Abstrakti
Fyysiset höyrypinnoitusmenetelmät (physical vapor deposition, PVD) ovat teollisesti kypsiä prosesseja, joita käytetään korkealaatuisten funktionaalisten kalvojen valmistamiseen eri käyttökohteisiin. PVD-pinnoitetut kalvot ovat yleensä tiiviitä ja sileitä, ja niissä on nanomittakaavan rakenteellisia piirteitä. Pinnoitusparametreja muuttamalla kalvon ominaisuuksia ja rakennetta voidaan muokata sovelluskohtaisen suorituskyvyn parantamiseksi. Esimerkiksi sähkökemian elektrodimateriaalissa suurempi käytettävissä oleva pinta-ala yleensä lisää elektrodilla samanaikaisesti tapahtuvien sähkökemiallisten reaktioiden määrää. Tässä työssä valmistetaan PVD-menetelmillä ohutkalvomateriaaleja sähkökemiallisiin sovelluksiin: Nanorakenteisia hiiliohutkalvoja tutkitaan sähkökemiallisina biosensoreina ja mikrorakenteisia titaanioksidikalvoja mikroakku- ja fotokatalyysisovelluksissa. Tavoitteena on selvittää, kuinka PVD-menetelmiä voidaan hyödyntää erilaisten ohutkalvojen nano- ja mikrorakenteiden luomiseksi ja optimoimiseksi sovelluskohtaisesti. Valmistetuille ohutkalvoille suoritetaan kattava rakenteellinen ja fysikaalis-kemiallinen karakterisointi, joka toimii perustyökaluna kalvon rakenteen ja suorituskyvyn ymmärtämisessä eri sovelluksissa. Ensimmäisessä osassa ohuiden ja sileiden kemiallisesti inerttien hiilikalvojen, joissa on paljon sp3-hybridisoitunutta hiiltä, nanorakennetta modifioidaan seostamalla niitä raudalla, typellä ja nanotimanteilla. Raudan sekä typen seostuksen havaitaan parantavan sähkökemiallista elektroninsiirtoa. Nämä modifikaatiot myös avaavat ja muuttavat alun perin korkean sp3-hiilen nanorakennetta altistaen sen ilmakehän epäpuhtauksille. Toisessa osassa käytetään korkeampaa kaasunpainetta titaanioksidi PVD-pinnoituksen aikana, mikä saa aikaan höyrystetyn materiaalin jäähtymisen, ydintymisen, ja nanohiukkasten muodostumisen. Tätä kaasun ydintämistekniikkaa hyödynnetään tässä työssä paksumpien ja huokoisempien mikrorakenteiden valmistamisessa. Toisen osan ensimmäisessä osiossa käytetään suurta kestomagneettia keräämään nanometrien kokoisia nanopartikkeleita isommiksi klustereiksi, joista muodostuu useiden mikrometrien paksuinen huokoinen hierarkinen kalvorakenne. Tämä mikrorakenne tarjoaa huomattavan suuren ominaispinta-alan, mikä on tärkeää sen sovelluksessa fotokatalyyttinä. Toisen osan toisessa osiossa havaitaan muutoin tavanomaisessa PVD-prosessissa uusi tunnistamaton mikropilareiden kasvumekanismi: substraatin sähköjännitteen muuttamisen huomataan vaikuttavan litium-titanaatti-hiilimateriaalin höyrystysprosessiin. Tämän epänormaalin mikropilarirakenteen suorituskykyä tutkitaan anodimateriaalina Li-ioni mikroakussa. Tämän väitöskirjatutkimuksen tulokset osoittavat, kuinka tavanomaisia PVD-menetelmiä voidaan kehittää erilaisten ohutkalvomateriaalejen valmistamista varten nano- ja mikromittakaavassa. Yksityiskohtainen karakterisointityö on olennainen työkalu PVD-pinnoituksella valmistettujen ohutkalvojen materiaalissa tapahtuvien muutosten ymmärtämisessä.
Julkaisun otsikon käännös | Fyysisten höyrypinnoitusmenetelmien hyödyntäminen nano- ja mikrorakenteisten ohutkalvojen valmistuksessa sähkökemiallisiin sovelluksiin |
---|---|
Alkuperäiskieli | Englanti |
Pätevyys | Tohtorintutkinto |
Myöntävä instituutio |
|
Valvoja/neuvonantaja |
|
Kustantaja | |
Painoksen ISBN | 978-952-64-1553-6 |
Sähköinen ISBN | 978-952-64-1554-3 |
Tila | Julkaistu - 2023 |
OKM-julkaisutyyppi | G5 Artikkeliväitöskirja |
Tutkimusalat
- fyysinen höyrypinnoitus
- ohutkalvot
- nanorakenne
- mikrorakenne
- sähkökemia
Sormenjälki
Sukella tutkimusaiheisiin 'Fyysisten höyrypinnoitusmenetelmien hyödyntäminen nano- ja mikrorakenteisten ohutkalvojen valmistuksessa sähkökemiallisiin sovelluksiin'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.Laitteet
-
Biotalousinfrastruktuuri
Seppälä, J. (Manager)
Kemian tekniikan korkeakouluLaitteistot/tilat: Facility
-
-
OtaNano – Kylmälaboratorio
Savin, A. (Manager) & Rissanen, A. (Other)
OtaNanoLaitteistot/tilat: Facility