LEE- Fizik Mühendisliği-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Konu "electrochromic device" ile LEE- Fizik Mühendisliği-Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeElektron demeti buharlaştırma yöntemi ile hazırlanmış tungsten oksit ince filmler üzerine detaylı bir çalışma: Elektrokromik cihaz üretimi ve karakterizasyonları(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-03-15) Evecan, Dilek ; Zayim, Esra ; 509112108 ; Fizik MühendisliğiSon yıllarda, akademik ve endüstriyel araştırmacılar, uygulama açısından hızla gelişen elektrokromik (EC) malzeme ve cihaz teknolojilerine gün geçtikçe artan bir ilgi duymaktadır. Elektrokromik cihazlar, uygulanan düşük voltajla renklerini tersinir olarak değiştirebilirler ve bu teknoloji, akıllı camlar, parlamayı önleyici araba dikiz aynaları, akıllı güneş gözlükleri, elektrokromik enerji depolama cihazları ve ekran uygulamaları gibi birçok alanda umut verici olması nedeniyle önem kazanmaktadır. En yaygın uygulama alanlarından biri olan elektrokromik pencereler (akıllı pencereler), odaya giren güneş ışığı miktarını ayarlayarak binalarda enerji tasarrufu sağlayan önemli bir teknoloji haline gelmiştir. Enerji tüketiminin önemli bir kısmı, yaklaşık yüzde kırktan fazlası binalarda ısıtma ve aydınlatmada kullanılmaktadır. Enerji verimliliği açısından binalarda akıllı cam sistemlerinin kullanılması iç mekân konforu ve az enerji tüketimi gibi avantajlar sağlamaktadır. Gelecekte artan bir talep ile mevcut cam sistemlerinin yerini, çoğunlukla elektrokromik olmak üzere akıllı cam sistemlerine bırakması beklenmektedir. Yüksek ticarileşme potansiyeli, enerjinin verimli kullanılması gibi sebeplerden dolayı özellikle tungsten oksit tabanlı elektrokromik cihazlara olan ilgi her geçen gün artmaktadır. Elektrokromik cihazın aktif tabakası olarak kullanılan tungsten oksit, gösterdiği üstün elektrokromik performansından dolayı, üzerinde en çok çalışılan malzemelerden biri olmuştur. Tersinir olarak renk değişiminin önemli olduğu ileri teknoloji sistemlerinde kullanım için yüksek optik modülasyonlu elektrokromik cihaz üretimi daha da önem kazanmaktadır. Bu tezin amacı, ticarileşmeye başlayan, yakın gelecekte farklı uygulama alanları bulacak olan ve gelecek vadeden tungsten oksit ince film tabanlı tersinir, kısmen hızlı yanıt süresine sahip, yüksek optik kontrastlı ve yüksek verimlilikte elektrokromik cihazların üretilmesi, karakterizasyonu ve geliştirilmesidir. Ekonomik, homojen ve yüksek saflıkta elektrokromik ince film yapılarını üretmek, büyük ölçekte elektrokromik akıllı camlarda kullanımı ve gelecekteki uygulama alanları açısından önemlidir. Kaplama yöntemi ve kaplama parametreleri film kalitesini etkileyen en önemli unsurlardır. Bu çalışmada son yıllarda daha sık kullanılmaya başlanan ve fiziksel kaplama yöntemlerinden biri olan elektron demeti buharlaştırma yöntemi uygulanmıştır. Bu yöntemin diğer yaygın kullanılan fiziksel yöntemlere göre üstünlüğü, toz numunelerden (genellikle pelet halinde) yüksek saflıkta ince filmlerin üretilmesi sayılabilir. Elektron demeti buharlaştırma yöntemi, hedef malzemeleri yüksek bir sıcaklığa kadar ısıtabilmekte ve ayrıca yüksek kaplama hızlarına ulaşmaya ve yüksek erime noktalı metalleri kolayca buharlaştırmaya olanak sağlamaktadır. Bu şekilde maliyeti yüksek hedef malzemesi alımı, kompozisyonun değiştirilememesi gibi zorluklar elimine edilebilirken, yüksek saflıkta ve kalitede ince filmler üretilebilmektedir. Bu çalışmada amaç, anahtarlama hızı, renklenme etkinliği gibi parametreleri optimize edilen elektrokromik cihazlar için, elektron demeti buharlaştırma yöntemi ile homojen ve amorf tungsten oksit ince filmlerini oluşturmaktır. Kaplanan filmlerin elektriksel, optik ve elektrokimyasal ölçümleri ve katı kromojenik cihazda kullanımı incelenmiştir. İlk aşamada ticari tungsten oksit tozu kullanılarak elektron demeti buharlaştırma yöntemi ile üretilen WO3-x ince filmlerin XRD, SEM, EDS, AFM, NKD, EIS, CV ve CA ölçümleri ile yapısal, optik ve elektrokimyasal karakterizasyonları detaylı olarak incelenmiştir. X-ışını kırınım desenleri, filmlerin amorf olduğunu göstermektedir. Amorf tungsten oksit ince film yapısının elektrokromik cihazlarda kullanımı avantaj sağlamaktadır. Üretilen ince filmlerin kalınlıkları, profilometre ve SEM ölçümleri ile belirlenmiştir. Bütün karakterizasyonlarda, üç elektrotlu sistemde ve katı EC cihaz yapımında kullanılan WO3-x filmlerin kalınlığı ~200 nm'dir. SEM ölçüm sonuçlarına göre e-demeti buharlaştırma yöntemi ile kaplanan filmler yüksek homojenliktedir. Optik, elektriksel ve elektrokimyasal karakterizasyonlar, akıllı sistemlerin farklı koşullarda kullanımı için önem taşımaktadırlar. Bu nedenle homojen ve amorf tungsten oksit ince filmlerin sıcaklığa bağlı elektriksel özellikleri, spektrofotometre ve NKD analizörü ile geniş bir spektrumda optik özellikleri incelenmiştir. DC tip elektriksel ölçümlerde incelenen tüm örnekler için omik bir davranış görülmüştür. Üç elektrot sisteminde (LiClO4/PC sıvı elektroliti kullanılarak) dönüşümlü voltametri ve kronoamperometri ölçümleri ile tungsten oksit ince filmlerin elektrokromik özellikleri ayrıntılı olarak araştırılmıştır. Bu ölçümler neticesinde yapının kararlı olduğu, sırasıyla 10 ve 4 saniyelik renklenme ve saydamlaşma anahtarlama süresi gösterdiği gözlemlenmiştir. Bu sistemde yapılan ömür testlerinde 100 çevrimin sonunda elde edilen CA eğrilerinde ciddi bir değişime rastlanmamıştır. Ayrıca hafıza etkisi incelendiğinde filmin rengini açık devrede ve oda şartlarında 1,5 saat koruduğu, bu süre sonunda yaklaşık % 1 optik geçirgenlik farkı oluştuğu görülmüştür. Optiksel ölçümler sonucunda 630 nm'de % 68,7 optik geçirgenlik farkı gözlemlenmiştir. Filmlerin renklenme verimliliği, 52,6 cm2/C olarak hesaplanmıştır. Sonraki aşamada ticari tozlardan üretilen tungsten oksit filmler kullanılarak katı EC cihaz yapımına geçilmiştir. Üretilen katı cihazlar, geçirgen iletken elektrot olarak indiyum kalay oksit kaplı cam, katodik renklenen malzeme olarak tungsten oksit ve elektrolit olarak ise LiClO4-PC-PMMA bazlı iletken jel içermektedirler. Buna göre Cam /ITO/WO3-x/Jel Elektrolit/ITO/Cam sandviç yapısına sahip katı cihaz üretimi yapılmıştır. Katı cihazın elektrokimyasal ölçümleri ± 3,2 V potansiyel aralığında test edilmiştir ve 630 nm dalga boyunda optik kontrastının yaklaşık % 48,1 olduğu görülmüştür. Ardından çoklu çevrim için tasarlanan cihazın ömür testi yapılarak cihazın renk değişiminin 600. çevrimde de tersinir olarak devam ettiği gözlemlenmiştir. Sonraki aşamada Cam/ITO/WO3-x/Elektrolit/PANI/ITO konfigürasyonunda olmak üzere LiClO4-PC-PMMA bazlı iletken jel ve Nafyon elektrolit kullanılarak farklı cihaz üretimleri yapılmıştır ve sırasıyla 124 cm2/C ve 173 cm2/C renklenme verimliliği elde edilerek cihaz performansında artış olmuştur. EC cihazların yapımı için tungsten oksit tozu üretmek ekonomik açıdan önemlidir. Birçok yöntem arasında çözelti yanma sentezi (SCS) yöntemi, sahip olduğu avantajlar neticesinde öne çıkmaktadır. Bu yöntemin en büyük avantajı, nano boyutlu oksitlerin hazırlanmasındaki kolaylıktır. En fazla çalışılmış EC malzeme olan tungsten oksitin EC özellikleri üzerine kapsamlı araştırmalar yapılmış olmasına rağmen, akıllı cam uygulamaları için elektron demeti buharlaştırma yöntemi ile hazırlanmış tungsten oksit ince film çalışmaları sınırlı sayıdadır. Bu nedenle, EC cihazında kullanmak üzere hazırlanan düzgün ve yüzeye iyi tutunan tungsten oksit ince filmler, kendi ürettiğimiz tungsten oksit tozundan e-demeti buharlaştırma yöntemi ile hazırlanmıştır. Yeni tozun ince filmlerin özellikleri üzerindeki etkisini gösterebilmek için, fiziksel ve morfolojik özellikleri, ticari tungsten oksit tozu ile hazırlanan ince film ile karşılaştırılmıştır. SCS yöntemi ile sentezlenen ve ticari tungsten oksit tozlarından e-demeti buharlaştırma yöntemi ile hazırlanan ince filmler (~150-200 nm) cam ve ITO kaplı cam altlıklar üzerine kaplanmış ve SEM görüntüleri filmlerin homojen ve düzgün yapıda olduğunu göstermiştir. Filmlerin EC özellikleri incelendikten sonra sentezlenen tungsten oksit tozu ile katı EC cihaz üretimi yapılmıştır. Yüksek optik geçirgenlik modülasyonuna (550 nm'de % 63) sahip Nafyon elektrolit ile hazırlanan ve tüm katmanları katı halde EC cihazının elektrokimyasal ve optik özellikleri incelenmiştir. Bu çalışma, EC aktif tabaka için çözelti yanma sentezi yöntemiyle sentezlenen nano boyutlu, yüksek saflıkta tungsten oksit tozundan üretilen ince filmlerin ayrıntılı olarak incelenmesinde öncü çalışmalardan biridir. Böylece bu çalışma istenilen boyutta ve kompozisyonda tozların sentezlenmesine olanak sağlayan SCS yöntemiyle sentezlenmiş tungsten oksit tozunun kullanımını mümkün kılan ve e-demeti buharlaştırma yöntemi ile hazırlanan filmlerle daha ekonomik, enerji verimli EC aktif malzeme ve cihazlarının geliştirilmesi ve tasarlanması için bir temel sağlamaktadır. En son aşamada ticari tungsten oksit tozu kullanılarak elektron demeti buharlaştırma ile hazırlanan ince filmlerin dielektrik özellikleri farklı sıcaklıklarda frekansa bağlı incelenerek yapı hakkında daha detaylı araştırma yapılmıştır. Deneysel sonuçlar, kaplanan filmlerin yapılarının çok düzgün ve homojen olmasından dolayı hem katı hem de sıvı elektrolit ile hazırlanan elektrokromik cihazların başlangıçta çok saydam olduğunu ve yapılarına rahat iyon girmesi nedeniyle mükemmel optik modülasyon ve renklenme etkinliği sergilediklerini göstermiştir. Ortaya çıkan en önemli bulgulardan biri, elektron demeti buharlaştırma yöntemi ile hazırlanmış tungsten oksit ince film tabanlı elektrokromik cihazların, diğer kaplama yöntemlerine göre göreceli olarak üstün performans göstermesidir. Bu nedenle, renk değişimi davranışının mükemmel tersinir olması elektrokromik enerji depolama cihazlarında ve gelecekteki birçok uygulama alanında kullanım için önemli olmaktadır. Bu tez, elektron demeti buharlaştırma yöntemi ile kaplanmış ince, homojen ve düzgün tungsten oksit film tabanlı katı elektrokromik cihazlara yönelik kapsamlı ve ayrıntılı bir çalışmadır. Ticarileştirmeye aday ve yüksek performanslı prototip elektrokromik cihazlar üretilmiş ve detaylı olarak karakterize edilmiştir. Bu çalışma, her geçen gün ticarileşme oranı artan akıllı cihazların mevcut ve gelecekteki uygulamaları için bir temel oluşturmaktadır.