Nanostructured materials and devices for sensing and energy harvesting applications
Enerji üretimi ve sensör uygulamaları için nano yapılı malzemeler ve nano aygıtlar
- Tez No: 398825
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET BAYINDIR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Modern dünyanın temel sorunlarına yakından bir bakış attığımızda, artan enerji ihtiyacının bilim ve teknolojinin gelişimini tehdit ettiğini görmekteyiz. Süregelen problemlerin, düşük enerji gerektiren cihazlar üreterek ve kayıp enerjiyi geri dönüştürerek çözülmesi hedeflenmektedir. Düşük enerji sarf eden cihazlar ile piezoelektrik enerji üretim devreleri kullanarak mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesini sağlayarak kendi enerjisini üretebilen sistemlerin entegre edilmesi mükemmel bir çözüm olarak görülmektedir. Daha da ötesi, yüksek performanslı triboelektrik ve piezoelektrik malzemelerin kullanımına ihtiyaç duyulduğu organik piezoelektrik ya da yüksek performanslı triboelektrik nano-jeneratörlerin üretilmesi ile esneyebilir, giyilebilir ve sünebilir, kendi enerjisini kendi üreten cihazların geliştirilmesi fırsatını ortaya koymaktadır. Bu tezde yeni bir üretim tekniği, esnek elektronik, yapay deri ve enerji üretimi uygulamaları için, yüksek performanslı triboelektrik ve piezoelektrik malzemelerin geliştirilmesinde yeni stratejiler, pratik yaklaşımlar anlatılmaktadır. Bu tez iki ana kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısım piezoelektrik nano şeritlerin üretimini içermektedir. Poly (vinylidene fluoride) ve onun kopolimeri olan Poly (vinylidene fluoride)-co-tri (fluoroethylene) malzemeleri kendinden yüksek piezoelektrik özelliği gösteren nano şeritlerin üretiminde kullanılmıştır. Ardışık fiber çekme yönteminde kullanılan yüksek sıcaklık ve stres gibi parametrelerin etkisiyle, ürettiğimiz şeritlerden rekor yükseklikte piezoelektrik yük katsayısı ölçtük. Ayrıca, nano şeritler kullanılarak enerji üretimi ve sensör amaçlı cihazlar geliştirildi. Bu tezin birinci kısmında elde edilen kazanımlar şöyle sıralanabilir: i) Sıra dışı uzunluk oranlarına sahip, aynı oryantasyonda dizilmiş, polimer içerisine gömülü, yüksek piezoelectric özelliği gösteren mikro ve nano şeritler elde ettik. ii) Termal fiber çekme parametreleri (kayma gerilmesi ve sıcaklık) sebebiyle, üretilen mikro ve nano şeritlerde, elektriksel polarizasyon işlemi gerektirmeksizin, yüksek oranda polar faz elde edilmiştir. iii) Nano objelerin çoklu ferroik karakteristiklerini incelemek için, enstrümantal, sayısal çözümleme ve analitik tekniklerin paralel olarak kullanıldığı, yeni bir yöntem geliştirdik. iv) Bilgimiz dâhilinde, literatürde bildirilen en yüksek piezoelektrik katsayı bizim nano şeritlerimizden ölçülmüştür. v) Üretim parametreleri sayesinde, Curie sıcaklığını erime sıcaklıklarının üzerine çıkararak piezoelektrik şeritlerin kararlılığını arttırdık. vi) Polimer piezoelektrik şeritlerde yeni bir faz dönüşüm mekanizması gözlemledik ve bu mekanizmayı açıkladık. vii) Modern ab initio hesaplamaları kullanılarak, kayma gerilimi, çekme gerilimi ve sıcaklık gibi fiber çekme parametrelerinin etkisi ile moleküllerde oluşan faz dönüşümü detaylı olarak açıklandı. İkinci kısım ise, yüksek enerji üretimine sahip triboelektrik jeneratörlerin geliştirilmesini hakkındadır. Kalkojen nano yapılar kullanılarak yüksek performanslı, çok katmanlı triboelektrik nano jeneratör geliştirildi. Tezin bu kısmı aşağıda listelenmiş yönleri ile tanımlanabilir: i) İlk kez, sadece polimerlerin değil, yarı iletken kalkojenlerinde triboelektrik jeneratör uygulamalarında kullanılabileceğini gösterdik. ii) Nano yapılı yüzeylerin flor ile kaplanması sonucu triboelektrik özelliklerinin önemli miktarda artacağını ilk kez önerdik ve gösterdik. iii) Akustik dalgaların ve titreşimin algılanması, literatürde ki eş denekleri ile karşılaştırıldığında, çok yüksek çıkış gücüne (0.51 Watt) sahip enerji üreteci gibi gerçek uygulamalarda kullanılabilecek, çok katmanlı triboelektrik bir triboelektrik jeneratör geliştirdik. iv) Bahsi geçen cihaz, düşük maliyetli, hızlı üretim ve seri üretime uygun, 3D yazdırma tekniği ile üretildi. v) Triboelektrik nano jeneratörlerin teorisini açıkladık ve deneysel sonuçlarımız ile analitik sonuçlarımızın mükemmel şekilde örtüştüğünü gösterdik.
Özet (Çeviri)
A closer look into the fundamental challenges of the modern world reveals that the increasing demand for energy threatens the evolution of science and technology. Energy-efficiency is thus a fundamental issue in engineering nano-devices. An important path to achieve high efficiency is to convert the mechanical energy into electrical energy using piezoelectric and triboelectric energy harvesting circuitries, hence enabling self-powered systems at nanoscale. The utilization of novel piezoelectric and triboelectric energy harvesting materials introduces the opportunity of manufacturing flexible, wearable and stretchable self-powered devices. In this thesis, we introduced a new fabrication technique, new strategies and practical approaches for developing high performance triboelectric and piezoelectric materials and devices for flexible electronics, artificial skin and energy harvesting applications. The first part of the thesis focuses on the development of piezoelectric nanoribbons. Poly (vinylidene fluoride) and its copolymer Poly (vinylidene fluoride)-co-tri (fluoroethylene) were used to fabricate spontaneously high piezoelectric nanoribbons. We measured the record-high piezoelectric charge coefficient from our ribbons, because the high stress and high temperature used in the fabrication can enhance their properties. In addition, proof of principle devices for energy harvesting and sensing were fabricated using nanoribbons. The achievements in this part of the thesis can be listed as: i) We obtained extraordinary high aspect ratio, globally oriented, polymer encapsulated, and high piezoelectric microribbon and nanoribbon arrays. ii) Due to process conditions (shear stress and temperature) used in thermal fiber drawing, as-produced micro and nanoribbons contain high amount of polar phase without requiring any electrical poling. iii) We developed a new technique for characterizing and analyzing multiferroic characteristics of nano-objects, which consist of parallel evaluation of instrumental, numerical and analytical data. iv) To our knowledge, we achieved the highest piezoelectric charge coefficient from our ribbons in the literature. v) We enhanced stability of the piezoelectric ribbons by increasing the Curie temperature above its melting point due to processing conditions. vi) We observed and explained a new phase transformation mechanism in polymer piezoelectric ribbons. vii) The state-of-the-art ab initio calculations, which explain the phase transformation mechanism of molecules during the fiber drawing with the effect of shear, tensile forces and temperature, were included in detail. The second part is about developing high energy output triboelectric generators. A high performance multi-layered triboelectric generator was developed using chalcogenide nanostructures. This part of the thesis details the following achievements: i) We demonstrated that not only polymer, but also semiconductor chalcogenide materials can be used in triboelectric applications, for the first time. ii) For the first time, we proposed and demonstrated that the fluorination of nanostructured surfaces increases triboelectric performance significantly. iii) We introduced a multi-layered triboelectric generator which is very promising for real applications such as acoustic wave and vibration detection, and energy harvesting with very high power output (0.51 Watt) in comparison with the literature. iv) We used a 3D printing technique to produce our device, which is low-cost and appropriate for rapid prototyping and mass production. v) We explained the device theory for the triboelectric nanogenerator, which aligned well with our experimental results.
Benzer Tezler
- Design and analysis of metamaterial based perfect absorbers
Metamalzeme bazlı mükemmel soğurucuların dizayn ve analizi
MAHMUT CAN SOYDAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VAKUR BEHÇET ERTÜRK
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Giyilebilir elektronik ve sağlık izleme için polivinilidenflorür esaslı sensörlerin geliştirilmesi
Development of polyvinylidenefluoride based sensors for wearable electronics and health monitoring
SEÇİL PEKER ADIGÜZEL
Doktora
Türkçe
2025
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEVRA ERCAN
- Hot electron interactions in nanostructures
Nanoyapılarda sıcak elektron etkileşimleri
İSMET İNÖNÜ KAYA
Doktora
İngilizce
1997
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiDOÇ. DR. RECAİ ELLİALTIOĞLU
- Düşük boyutlu yapılarda polaron etkileri
Polaron effects in low dimensional structures
ABDURRAHMAN ÇETİN
Doktora
Türkçe
2003
Fizik ve Fizik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. BEKİR SITKI KANDEMİR
- Ark fiziksel buhar biriktirme/magnetron sıçratma hibrid tekniği ile nanokompozit Cr-N-Cu kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu
Deposition and characterization of nanocomposite Cr-N-Cu films by cathodic arc PVD/magnetron sputtering hybrid system
ERHAN ÖZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. MUSTAFA ÜRGEN