Development of laser-induced graphene based flexible thermoelectric generators
Lazerle yazılmış grafen tabanlı esnek termoelektrik cihazların üretilmesi
- Tez No: 970292
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET YAVUZ ORAL, DOÇ. DR. NİHAN AYDEMİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Sürdürülebilir ve miniaturize enerji kaynaklarına olan artan ihtiyaç, atık ısıdan enerji toplayabilen termoelektrik malzemeler üzerine araştırmaları hızlandırmıştır. Bu malzemeler arasında karbon bazlı sistemler, özellikle de lazerle indüklenen grafen (LIG), düşük maliyetli üretim, mekanik esneklik ve elektriksel iletkenlik gibi dikkat çekici avantajlar sunmaktadır. Bu tez, LIG bazlı esnek termoelektrik malzemelerin sentezi, karakterizasyonu ve cihaz entegrasyonunu sunmaktadır. LIG, poliimid filmlerin CO₂ lazer kullanılarak doğrudan lazer kazıma yöntemiyle üretilmiş ve özellikleri SEM, XRD, FTIR, Raman ve XPS teknikleri ile kapsamlı olarak analiz edilmiştir. Elde edilen LIG tozları PVDF ile karıştırılarak p-tipi termoelektrik kompozit filmler geliştirilmiştir. PVDF'nin yapısal faz dönüşümleri ve dolgu malzemesinin dağılımı değerlendirilmiştir. Buna paralel olarak, azot katkılaması amacıyla üre işlemi uygulanmış ve bu sayede yüzey kimyası değişmiş, geliştirilmiş Seebeck davranışı gösteren n-tipi LIG elde edilmiştir. Ure ile işlenmiş LIG (n-tipi) ve PVDF-LIG kompozit filmleri (p-tipi) kullanılarak, bağlantı elemanı olarak da saf LIG filmleri ile esnek bir termoelektrik jeneratör (TEG) üretilmiştir. Cihaz poliimid bir substrat üzerine monte edilmiş ve esneklik ile çevresel kararlılığı sağlamak amacıyla Kapton bant ile kaplanmıştır. Termoelektrik ve elektriksel performans, farklı sıcaklık gradyanları altında test edilmiştir. Sonuçlar, 1.91 nW çıkış gücü ve orta düzey sıcaklık koşullarında umut verici termoelektrik potansiyel ortaya koymuştur. Bu çalışma, LIG bazlı malzemelerin gelecek nesil, ölçeklenebilir ve esnek enerji toplama sistemlerinde, geleneksel inorganik termoelektrik malzemelere düşük maliyetli bir alternatif sunduğunu vurgulamaktadır. Ayrıca, karbon bazlı TEG'lerin giyilebilir ve IoT destekli uygulamalar için daha ileri geliştirilmesine temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
The increasing need for sustainable and miniaturized energy sources has accelerated research on thermoelectric materials capable of harvesting waste heat. Among carbon-based systems, carbon nanotubes (CNTs) have been extensively studied for their remarkable electrical and mechanical properties, while graphene has emerged as another promising candidate due to its high conductivity and two-dimensional structure. Building on these advances, laser-induced graphene (LIG) offers additional advantages such as low-cost fabrication, mechanical flexibility, and excellent electrical conductivity. This thesis presents the synthesis, characterization, and device integration of LIG-based flexible thermoelectric materials. LIG was fabricated through the direct laser scribing of polyimide sheets using a CO₂ laser, and its structural, chemical, and morphological characteristics were extensively analyzed using SEM, XRD, FTIR, Raman, and XPS analyses. LIG powders were blended with PVDF (Polyvinylidene Fluoride) to develop p-type thermoelectric composite films. The structural phase transformations of PVDF and filler dispersion were evaluated. In parallel, urea treatment was employed to achieve nitrogen doping, resulting in n-type LIG with altered surface chemistry. A flexible thermoelectric generator (TEG) was fabricated using both the n-type (urea-treated LIG) and p-type (PVDF-LIG) films, with native LIG films serving as interconnections. The device was assembled on a polyimide substrate and encapsulated with Kapton tape to ensure flexibility and environmental stability. The thermoelectric and electrical performance of the device was evaluated under various temperature gradients. Results demonstrated an output power of 1.91 nW and promising thermoelectric potential under moderate thermal conditions. Traditional inorganic thermoelectric materials often suffer from drawbacks such as high cost, brittleness, and limited mechanical flexibility, which hinder their widespread use in practical applications. In contrast, this work emphasizes the potential of LIG-based materials in next-generation, scalable, and flexible energy harvesting systems, offering a low-cost and mechanically robust alternative. The findings also establish a foundation for further development of carbon-based TEGs suitable for wearable and IoT-powered applications.
Benzer Tezler
- Development of self-healing, stretchable and wearable thermoelectric generators
Kendi kendini onarabilen, esnek ve giyilebilir termoelektrik jeneratörlerin geliştirilmesi
FATMANUR KOCAMAN KABİL
Doktora
İngilizce
2025
Mühendislik BilimleriGebze Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. AHMET YAVUZ ORAL
DR. ÖĞR. ÜYESİ NİHAN AYDEMİR
- TNT tabanlı patlayıcıların tespiti için esnek grafen bazlı sensörlerin geliştirilmesi
Development of flexible graphene-based sensors for the detection of TNT-based explosives
SEDA KOL
Doktora
Türkçe
2025
Mühendislik BilimleriGebze Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET YAVUZ ORAL
- Laser induced graphene based flexible gas sensor for wearable electronics
Giyilebilir elektronikler için lazer kaynaklı grafen bazlı esnek gaz sensörü
MEHMET MERT BÜYÜKTURGAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK
- Development of laser induced graphene & its composites for gas sensors and photocatalysis applications
Gaz sensör ve fotokataliz uygulamaları için lazerle üretilmiş grafen ve kompozitlerinin geliştirilmesi
GİZEM SOYDAN
Doktora
İngilizce
2024
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK
PROF. DR. AHMET TUĞRUL ALPAS
- Graphene based stretchable electronics
Grafen tabanlı esnek elektronikler
BERKCAN ZÜLFİKAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NİHAN AYDEMİR