Termosähköisten oksidimateriaalien atomikerroskasvatus tekstiileille

Abstract

Termosähköisillä materiaaleilla voidaan muuntaa lämpötilaeroja ja hukkalämpöä sähköenergiaksi. Tämä diplomityö käsittelee termosähköisiä oksidimateriaaleja ja niiden soveltamista yhteen tekstiilien kanssa. Kirjallisuusosan tarkoituksena on kartoittaa p-tyypin termosähköisiä oksidimateriaaleja ja etsiä potentiaalisia sovelluskohteita termosähköisille ohutkalvomoduuleille. Lisäksi kirjallisuusosassa keskitytään atomikerroskasvatustekniikan (ALD) soveltamiseen tekstiileille. Kokeellisessa osassa tavoitteena on kasvattaa kiteisiä oksidiohutkalvoja tekstiileille ja tutkia kalvojen ominaisuuksia. Tarkoituksena on selvittää sopivat kasvatusparametrit ja se, miten tekstiilisubstraatti vaikuttaa materiaalin ominaisuuksiin. Lisäksi tutkitaan hybridisuperhilarakenteen ja seostamisen vaikutusta oksidin ominaisuuksiin.

Oksidimateriaalit ovat potentiaalinen vaihtoehto korvaamaan tällä hetkellä käytetyt raskaisiin metalleihin pohjautuvat termosähköiset materiaalit, koska ne kestävät korkeita lämpötiloja ja ovat ympäristöystävällisiä. Lisäksi ne mahdollistavat termosähköisten ohutkalvojen kasvattamisen esimerkiksi ALD:llä. Useille n-tyypin termosähköisille oksidimateriaaleille on jo kehitetty melko vakiintuneet ALD-prosessit, mutta p-tyypin materiaalit vaativat lisää tutkimusta. Potentiaalisimpia p-tyypin termosähköisiä oksidimateriaaleja kasvatettavaksi ALD:llä ovat kupari- ja nikkelioksidit. Ohutkalvomoduulit tuovat mukanaan monia etuja, kuten pienen tilavuuden ja korkean tehotiheyden. Niiden potentiaalisiin sovelluskohteisiin kuuluvat muun muassa erilaiset jäähdytys- ja generaattorisovellukset, kuten hybridiaurinkokennot, implantoitavat lääketieteelliset laitteet ja puettava elektroniikka. Puettavaan elektroniikkaan liittyy ajatus ohutkalvojen kasvattamisesta suoraan tekstiilille. Polymeerien pinnoittaminen ALD:llä on melko uusi tutkimuskohde ja se sisältääkin paljon tuntemattomia ilmiöitä, sillä polymeerisubstraattien pinnat eroavat paljon yleisesti käytetyistä kiinteistä substraateista. Lisäksi tekstiilien tyypillisesti erittäin huokoinen rakenne vaikeuttaa ALD:tä entisestään.

Diplomityön kokeellisessa osassa onnistuttiin todistetusti kasvattamaan kiteistä sinkkioksidia sekä puuvillaiselle tekstiilille että langalle. Tämä todistettiin röntgendiffraktiomittausten avulla. Tulosten perusteella sekä dietyylisinkin että veden optimaaliseksi pulssiajaksi määritettiin 1,5 s ja huuhteluajaksi 10 s. Sinkkioksidia myös seostettiin alumiinilla ja lisäksi sen rakennetta muokattiin hybridisuperhilaksi lisäämällä rakenteeseen säännöllisesti orgaanisia kerroksia. Ohutkalvoista tutkittiin niiden rakenteellisia, termosähköisiä ja tekstiilin käytön kannalta olennaisia ominaisuuksia. Tulosten perusteella sekä hybridisuperhilarakenne että seostaminen parantavat sinkkioksidin termosähköisiä ominaisuuksia.

Thermoelectric materials can transform temperature differences and waste heat into electricity. This master thesis deals with thermoelectric oxide materials and combining them with textiles. The aim of the literature review is to survey p-type thermoelectric oxide materials and look for potential applications for thermoelectric thin film modules. In addition, the literature review will focus on applying atomic layer deposition (ALD) on textiles. In the experimental part, the aim is to deposit crystalline oxide thin films on textiles and investigate the properties of the films. The purpose is to find out suitable deposition parameters and the effect of the textile substrate on the properties of the material. In addition the effect of hybrid superlattice structure and doping to the properties of oxide is investigated.

Oxide materials are potential option to replace thermoelectric materials based on heavy metals that are currently in use because they can handle high temperatures and are environmentally friendly. In addition they enable the deposition of thermoelectric thin films for example by using ALD. There have already been developed well-established ALD-processes for many n-type thermoelectric oxide materials but p-type materials require more research. The most potential p-type thermoelectric oxide materials to be deposited by ALD are copper and nickel oxides. Thin film modules bring many advantages, such as small volume and high power density. Different kinds of refrigeration and generation applications such as hybrid solar cells, implantable medical devices and wearable electronics are potential application areas for them. Wearable electronics includes the possibility of depositing thin films directly on textile. Application of ALD on polymers is a quite new area of study and it includes lots of unknown phenomena because surface of the polymer substrate differs from widely used solid substrates. In addition textiles typically have very porous structure which makes ALD even more difficult.

In the experimental part of the thesis, crystalline zinc oxide was successfully deposited on both cotton textile and yarn. This was proved by x-ray diffraction measurements. According to the results, the optimal pulse and purge lengths were determined to be 1,5 s and 10 s for both diethyl zinc and water. Zinc oxide was also doped with aluminum and its structure was transformed into a hybrid superlattice by depositing organic layers at regular intervals. Structural, thermoelectric and practical properties of the thin films deposited on textiles were investigated. According to the results, both the hybrid superlattice structure and doping improve thermoelectric properties of zinc oxide.