Nanostructured thin films for thermoelectric and sensing applications

Thumbnail Image

Files

isbn9789526071909.pdf (4.51 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-01-20
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2016

Department

Mikro- ja nanotekniikan laitos
Department of Micro and Nanosciences

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

68 + app. 54

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 263/2016

Abstract

Thermal energy constitutes a natural source of energy and most energy consumed is finally converted to heat. However, the overall energy conversion process remains inefficient creating the need for solutions that may be used to improve the efficiency. Thermoelectric materials offer an opportunity to improve the energy efficiency in thermal processes by converting the waste heat directly into electricity in a solid state material via the Seebeck effect. Since the achieved conversion efficiency remains still relatively low, a great challenge for materials research is to improve thermoelectric performance for example by microscopic tailoring of materials. Finally, nanotechnology has brought along many methods for tailoring the underlying conduction mechanisms that determine the performance of thermoelectric generators.  Novel thermoelectric thin film materials and their applications are studied in this thesis. The presented research focuses on the development of metrology for the characterization of thermoelectric material properties, studies the thermoelectric properties of nanostructured materials and presents novel application of transparent thermoelectric thin films.  In this thesis a method to measure the in-plane thermal conductivity of thin films using laser flash apparatus is presented. With this method one can expand the thickness range of samples that can be measured with laser flash analysis by more than two orders of magnitude. In addition, Al-doping of zinc oxide (ZnO) thin films is studied and the effect of the doping on thermoelectric performance of the films is determined. Nanostructuring of ZnO films is demonstrated by large-area conformal coatings by ALD. The work demonstrates the use of geometrical effects for the reduction the resistance of thermocouples fabricated in such a fashion. Accordingly, this work reports on the opportunity to double the generated power of any planar thermoelectric generator. Finally, the ZnO material is applied in a novel transparent thermal touch panel. The proposed concept takes advantage of the thermoelectric voltage generation allowing passive sensing and making the concept very interesting for large-area and low-power applications.  The results presented in this thesis enable novel applications and solutions both for energy conversion and sensing. Consequently, the outcomes are forming the basis for a novel field of transparent and flexible thermoelectrics.

Lämpö on arkinen energianlähde, ja lämmön avulla tuotetaankin suurin osa ilmiskunnan kuluttamasta energiasta. Lämpöenergian muuntamisessa työksi ja palveluiksi hyötysuhde jää kuitenkin heikoksi, niinpä ratkaisuille, jotka pystyvät parantamaan energiamuunnoksen hyötysuhdetta on suuri tarve. Lämpösähköiset materiaalit kykenevät parantamaan energiarehokkuutta muuntamalla lämmön sähköksi Seebeckin ilmiön avulla. Lämpösähköisen muunnonshyötysuhteen parantaminen, esimerkiksi materiaalin mikrorakennetta räätälöimällä, muodostaa suuren haasteen materiaalitutkimukselle. Nanotekniikkassa on puolestaan kehitetty menetelmiä, joilla kyetään räätälöimään varauksenkuljetusilmiöitä, jotka määräävät lämpösähköisen teholähteen hyötysuhteen.  Tässä väitöskirjassa tutkitaan lämpösähköisiä ohutkalvomateriaaleja sekä niiden sovelluksia. Työ keskittyy lämpösähköisten ominaisuuksien mittamiseen käytettyjen kokeellisten menetelmien kehitykseen, nanorakenteisten ohutkalvojen ominaisuuksien tutkimiseen sekä näihin perustuvien uusien sovelluksien kehittämiseen.  Tässä väitöskirjassa esitellään menetelmä, jolla kyetään optisesti mittaamaan ohutkalvojen pinnansuuntainen lämmönjohtavuus. Menetelmä laajentaa näyteenpaksuutta yli kahdella kertaluokalla, mikä kyetään selvittämään käytetyllä mittausperiaatteela. Lisäksi väitöskirjassa tutkitaan alumiiniseostuksen vaikutusta sinkkioksidiohutkalvojen lämpösähköisiin ominaisuuksiin. Työssä myös muokataan ohutkalvojen nanorakennetta kasvattamalla ohutkalvot huokoiselle alustalle. Lopulta ohutkalvoja sovelletaan uudenlaisena läpinäkyvänä ja taipuvana kosketusanturina. Sovelluksessa hyödynnetään Seebeckin ilmiön aikaan saamaa passiivista jännitesignaalia, joka tekee anturista vähän virtaa kuluttavan sekä hyvin soveltuvan suuren pinta-alan sovelluksiin.  Esitetyt tulokset mahdollistavat uusia sovelluksia sekä anturoinnissa että energiatehokkuuden parantamisessa. Työ luo pohjaa läpinäkyvien ja lämpösähköisten materiaalien tutkimusalalle sekä niihin perustuville sovelluksille.

Description

Supervising professor

Tittonen, Ilkka, Prof., Aalto University, Department of Micro and Nanosciences, Finland

Keywords

thermoelectric, thin film, zinc oxide, atomic layer deposition, nanostructure, thermal conductivity, lämpösähköinen ilmiö, ohutkalvo, sinkkioksidi, nanorakenteet, atomikerroskasvatus, lämmönjohtavuus

Other note

Parts

  • [Publication 1]: O. Hahtela, M. Ruoho, E. Mykkänen, K. Ojasalo, J. Nissilä, A. Manninen and M. Heinonen. Thermal conductivity measurement of thermoelectric materials using 3-omega method. International Journal of Thermophysics, vol. 36, pp. 3255-3271, 2015.
    DOI: 10.1007/s10765-015-1970-8 View at publisher
  • [Publication 2]: M. Ruoho, K.Valset, T. Finstad and I. Tittonen. Measurement of thin film thermal conductivity using the laser flash method. Nanotechnology, vol. 26, pp. 195706-1-6, 2015. Post-print/Author accepted version: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201609234278.
    DOI: 10.1088/0957-4484/26/19/195706 View at publisher
  • [Publication 3]: M. Ruoho, V. Pale, M. Erdmanis and I. Tittonen. Influence of aluminium doping on thermoelectric performance of atomic layer deposited ZnO thin films. Applied Physics Letters, vol. 103, pp. 203903-1-4, 2013.
    DOI: 10.1063/1.4831980 View at publisher
  • [Publication 4]: M. Ruoho, T. Juntunen and I. Tittonen. Large-area thermoelectric high-aspect-ratio nanostructures by atomic layer deposition. Nanotechnology, vol. 27, pp. 355403-1-10, 2016.
    DOI: 10.1088/0957-4484/27/35/355403 View at publisher
  • [Publication 5]: M. Ruoho, T. Juntunen, T. Alasaarela, M. Pudas and I. Tittonen. Transparent, Flexible and Passive Thermal Touch Panel. Accepted to Advanced Materials Technologies, September 2016. Pre-print version: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201610195124.
    DOI: 10.1002/admt.201600204 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7190-9

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC