Search

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone., Geel-klaas dispergeeritud vedelkristallid (GDLC) on elektrooptilised komposiitmaterjalid, mis koosnevad anorgaanilisest või orgaaniliselt modifitseeritud anorgaanilisest räni- või seguoksiidmaatriksist ja selle sees paiknevatest vedelkristalli mikrotilkadest. Materjali valmistatakse keemiliselt sool-geel protsessi abil ning seda tüüpi materjali valmistati esmakordselt 1991. aastal. Sellest ajast alates on GDLC materjale väga vähe uuritud – 20. aasta jookusul on ilmunud kõigest alla kahekümne teadusartikli. GDLC materjali on võimalik elektrivälja rakendamisel lülitada valgust hajutava ja valgust läbilaskva oleku vahel ning on seetõttu potentsiaalselt kasutatav muudetava läbilaskvusega aknaklaasina. Hoolimata suurest rakenduslikust potentsiaalist GDLC materjale senimaani tööstuslikult ei toodeta. Selle peamisteks põhjusteks on suure pindalaga GDLC kilede valmistamise metoodika puudumine ja kilede väike läbilaskvuse muutus elektrilise pinge rakendamisel. Antud töö üldine eesmärk on avardada arusaamist GDLC materjali formeerumise protsessidest, erinevate parameetrite mõju uurimine materjali omadustele, suure pindalaga kilede valmistamise metoodika väljatöötamine ning materjali elektrooptiline karakteriseerimine. Töös uuriti mitmete erinevate kilede sünteesi- ja sadestamismeetodite rakendatavust GDLC kilede valmistamiseks ning esmakordselt näidati pragudevabade, suure paksusega (11.98 μm) hübriidsete elektrooptiliste kilede valmistamise võimalikkust. Pragunemine kujutab endast sool-geel meetodil valmistatud kilede puhul fundamentaalset probleemi. Pragunemise puudumine on seletatav vedelkristalli tilkade kuju muutumisega kile kuivamisel toimuval kile kokkutõmbumisel, mis takistab mehaanilistel pingetel kasvamist üle kriitilise väärtuse. Valmistati kõrgkvaliteetsed elektrooptilsed kiled, mis omavad 75.9% läbilaskvuse muutust elektrilise pinge rakendamisel, mis on piisav prakilisteks rakendusteks. Konstrueeriti originaalne katseseade, mis võimaldab mõõta läbilaskvust sõltuvalt rakendatud pingest erinevatel temperatuuridel nähtavas- ja lähi-infrapunases spektriosas. Esmakordselt mõõdeti läbilaskvuse muutuse sõltuvus lainepikkusest laias temperatuuride vahemikus ning näidati funktsiooni ΔT vs. λ maksimumi langemist nähtava lainepikkuste piirkonna keskele, mis on materjali valmistamisprotsessi täpse optimeerimise tulemus. Töötati välja ning patenteeriti meetod suure pindalaga GDLC kilede valmistamiseks., Gel-glass dispersed liquid crystal (GDLC) is an electro-optical composite material that consists of liquid crystal microdroplets encapsulated in inorganic or organically modified silica or mixed oxide matrix and is prepared chemically by a sol-gel method. This type of material was first prepared in 1991 and is since then very little researched with less than 20 scientific papers published. The material can be switched from an opaque scattering state to a transparent non-scattering state by applying an electric field and is potentially applicable as a variable transmittance window. Despite the great commercial potential as a “smart window” technology, no commercial applications exist so far for GDLC. The main reasons behind that are the absence of method of preparation of large area films and poor electro-optical performance. The general goal of the present thesis is to expand the understanding of the formation processes of GDLC material, influence of different parameters on the properties of GDLC, elaboration of the method of preparation of large area GDLC films and electro-optical characterization of such composite materials. Several strategies for sol synthesis and film deposition were explored. It was demonstrated for the first time that crack-free thick (11.98 μm) GDLC films can be successfully prepared. The absence of cracking can be attributed to the deformability of the liquid phase that prevents stress buildup. Cracking is a fundamental problem in preparation of thick sol-gel films. High performance thick films that exhibit 75.9% change in transmittance as an electric field is applied were prepared. The achieved performance is sufficient for practical applications. An original setup was developed that enables measurement of transmittance dependence on applied voltage at different temperatures in full visible and near-IR spectral range. For the first time, function of change of transmittance vs. wavelength of light at different temperatures was measured for GDLC film, showing the distinct maxima in the mid-visible range which is the result of precise optimization of film preparation process. Method of preparation of large area GDLC films was elaborated and patented.

https://www.ester.ee/record=b5379666*est

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone, Juhtivad polümeerid on sellised orgaanilised polümeerid, mis juhivad elektrit. See põnev materjalide klass on juba 20. sajandi lõpust pälvinud teadusmaailma suurt tähelepanu, sest võib osutuda kasulikuks paljudes erinevates rakendustes, alates sensoritest ja lõpetades päikesepatareidega. Näiteks on paljudes seadmetes vaja kasutada läbipaistvaid elektroode, mille materjaliks on tänapäeval harilikult indiumtinaoksiidi (ITO) kiled. Aga ITO kiled on kallid ja nendele oleks hea odavam asendus leida. Just siin võib juhtiv polümeer kasuks tulla. Erinevalt ITOst on juhtivad polümeerid ka hea painduvusega, mis võimaldaks valmistada painduvaid elektroonikaseadmeid. Polü(3,4-etüleendioksütiofeen) (PEDOT) on üks juhtiv polümeer, mis võiks läbipaistvaks elektroodimaterjaliks sobida. PEDOT on üsna kõrge juhtivuse, hea läbipaistvuse ning juhtivate omaduste küllaltki suure stabiilsusega. Paraku ei ole ükski neist omadustest siiski veel päris ideaalne, mistõttu tuleb otsida lahendusi nende omaduste parandamiseks. Antud doktoritöös uuriti kahte erinevat PEDOTi õhukeste kilede valmistamise meetodit. Ühe meetodi puhul pärineb polümeeri moodustav monomeer gaasifaasist ja teisel juhul lahusest. Määrati, millistes etappides kile kasv toimub ja kuidas saada paremate omadustega kilet. Uuriti ka PEDOTi kilede vananemist ja nende juhtivuse vastupidavust erinevates keskkondades. Selgus, et uuritud PEDOTi kiled ei juhi elektrit nii hästi kui ITO ja nende juhtivus ei ole ka nii stabiilne. Ent avastati siiski üks rakendus, milles PEDOT on ITOst parem. Triboelektriline nanogeneraator on energiatootmisseade, mis suudab toota elektrit ka väikeste igapäevaelu liikumiste mehaanilisest energiast, mis muidu raisku läheb. PEDOTi kile kasutamine sellise seadme elektroodimaterjalina võimaldab kolm korda suuremat võimsustihedust kui ITO ja PEDOTi kile on selleks ka piisavalt stabiilne., Conductive polymers are organic polymers, which conduct electricity. This fascinating class of materials has gained a lot of scientific attention starting already from the end of the 20th century, because it may become useful in numerous applications, from sensors to solar panels. For example, transparent electrodes consisting of indium tin oxide (ITO) films are used in a large number of devices. But ITO films are expensive and a cheaper solution would be greatly appreciated. For this purpose, a conductive polymer may be a better solution. Conductive polymers are also flexible while ITO is brittle, enabling preparation of flexible electronic devices. Poly(3,4-ethylenedioxythiphene) (PEDOT) is a conductive polymer, which could be used as a transparent electrode material. PEDOT has a relatively high conductivity, good transparency and quite stable conductive properties. However, none of these properties is perfect at the current level of development. Therefore, it is still necessary to find ways for improving these properties. Two different preparation methods for PEDOT thin films were studied in this thesis. For one method the source of polymerizing monomer is a gas phase, for another method a solution. During this work the stages of film growth were investigated and better film formation conditions were determined. Aging of PEDOT and stability of conductance were investigated in different conditions. It was found out that investigated PEDOT films are not so highly conductive and stable conductors as ITO. However, in one application PEDOT was better than ITO. A triboelectric nanogenerator is a device, which could produce electricity from the mechanical energy of small movements, which would be otherwise wasted. As an electrode material for this device, PEDOT film enables to have three times higher power densities than ITO film and it is sufficiently stable.

2018-05-01