Thermal and thermoelectric transport in nanostructures for energy applications

Julkaisun otsikon käännös: Termiset ja termosähköiset ilmiöt nanorakenteissa energiasovelluksiin

Taneli Juntunen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Lämmönhallintaan liittyvät haasteet ovat yhä keskeisemmässä roolissa moderneissa elektroniikkasovelluksissa. Nanoteknologian nopea kehitys on mahdollistanut uusia tapoja hallita lämpöenergiaa mikroskooppisessa mittakaavassa. Kaikkialla läsnä oleva lämpö voidaan lisäksi muuntaa suoraan puhtaaksi ja uusiutuvaksi sähköksi termosähköisten materiaalien avulla. Vaikka termosähköisen teknologian hyötysuhde on yhä vaatimaton, nanorakenteet parantavat termosähköistä tehokkuutta samanaikaisesti mahdollistaen materiaalien läpinäkyvyyden ja taipuisuuden. Tämä väitöskirja havainnollistaa nanomittakaavan termisiä ilmiöitä, keskittyen lämpöä kuljettaviin fononeihin sekä itsessään että laajemmin osana termosähköisiä järjestelmiä. Tutkimuksen keskeisenä tavoitteena on selvittää rakenteellisen järjestyksen ja epäjärjestyksen vaikutusta lämmönkuljetukseen monikerroksisissa ohutkalvo- ja nanolankarakenteissa. Lisäksi työssä kehitetään uusia kustannustehokkaita ja ekologisia menetelmiä skaalattavien termosähköisten rakenteiden valmistukseen anturi- ja energiankeruusovelluksiin. Työssä osoitetaan, että rajapinnoilla voidaan vaikuttaa amorfisten rakenteiden lämmönjohtavuuteen hyvin määritellyn kiderakenteen puutteesta huolimatta. Kiteisissä materiaaleissa rajapinnat voidaan sen sijaan suunnitella tavalla, joka johtaa voimakkaaseen lämmönjohtavuuden pienentymiseen johtuen koherenttien termisten fononien interferenssistä. Koherentit fononit voivat myös olla osallisia lämmönjohtavuuden pienentymiseen eri materiaalilla päällystetyissä puolijohdenanolangoissa, minkä vuoksi ydin-kuorinanolangat ovat mahdollisesti lupaavia komponentteja termosähköisiin sovelluksiin. Koherenttien fononien vaikutukset luovat lisäksi pohjaa uudelle nanofononiikan tutkimusalalle. Väitöskirja esittelee myös edistyksellisiä nanovalmistusmenetelmiä suuren mittakaavan termosähköisille nanokomposiiteille siirtämällä sinkkioksidiohutkalvojen termosähköiset ominaisuudet kolmiulotteiseen polymeerimuottiin. Tämän seurauksena rakenteen termosähköinen teho kaksinkertaistuu tasomaisiin kalvoihin verrattuna. Lisäksi työssä hyödynnetään yksinkertaisia ja skaalautuvia liuospohjaisia menetelmiä orgaanisten termosähköisten grafeeninanokomposiittien valmistukseen. Lopuksi työssä esitellään uudenlaisia nanorakenteisten termosähkösovellusten prototyyppejä, kuten mustesuihkutulostettu taipuisa termosähkögeneraattori, ensimmäinen tasomainen täysin läpinäkyvä termosähköinen pn-moduuli sekä uusi hajautettuihin termopareihin perustuva passiivinen, läpinäkyvä ja taipuisa kosketuspaneeli. Esitetyt tulokset tarjoavat sekä uutta tietoa nanomittakaavan fononisista prosesseista että uusia menetelmiä energiateknologioiden kehittämiseen. Väitöskirja tukee siten poikkitieteellistä kehitystä nanofononiikasta läpinäkyviin ja taipuisiin termosähköisiin järjestelmiin.
Julkaisun otsikon käännösTermiset ja termosähköiset ilmiöt nanorakenteissa energiasovelluksiin
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Tittonen, Ilkka, Vastuuprofessori
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-8804-4
Sähköinen ISBN978-952-60-8805-1
TilaJulkaistu - 2019
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • lämmönkuljetus
  • termosähkö
  • molekyylidynamiikka
  • fononit
  • nanorakenteet

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Termiset ja termosähköiset ilmiöt nanorakenteissa energiasovelluksiin'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä