Synthesis of nanoporous Ca3Co4O9 thin films for flexible thermoelectrics

• During energy generation, transportation and usage, large amounts of energy are lost as waste heat. With increasing energy consumption and environmental issues, exploiting this waste heat has drawn extensive attention. Thermoelectric energy conversion is an approach to take advantage of the ability of thermoelectric materials to convert waste heat into electricity.The thermoelectric effect was initially studied in the early 19th century with the discovery of the Seebeck effect. Thermoelectric materials and devices can directly convert thermal energy (temperature gradients) into electric energy (voltage) and vice versa. Thermoelectric devices have been used in space as energy generators and as coolers in small-scale instruments and devices. However, thermoelectrics remain limited in terms of applications. The traditional state-of-the-art thermoelectric materials, such as Bi2Te3, PbTe, and SnTe, exhibit high thermoelectric properties, but their disadvantages of toxicity, extreme rarity of tellurium, and oxidation when exposed to high temperature air restrict them from widespread use in applications. Compared to traditional thermoelectric materials, misfit-layered Ca3Co4O9 not only has the typical advantages of oxides including low cost, being environmentally friendly, and good chemical stability at high temperatures, but also has relatively high thermoelectric properties due to the complex structure which composed of CoO2 conductive layers and rock-salt type Ca2CoO3 insulating layers. Many strategies have been used to enhance the thermoelectric performance of Ca3Co4O9. Compared with bulk materials, thermoelectric thin films can exhibit improved thermoelectric properties and new application in flexible devices and miniaturization. Flexibility can be induced in Ca3Co4O9 by nanostructural tailoring to act as fully inorganic flexible thermoelectrics.In order to explore how to produce Ca3Co4O9 nanoporous thin film and control the porosity in the films, I have investigated the nanoporous Ca3Co4O9 system. Nanoporous Ca3Co4O9 thin films were synthesized using sequential reactive magnetron sputtering and post annealing to determine the key factors of nanoporous Ca3Co4O9 formation and tailoring of the porosity.

• Under produktion, transport och användning av energi förloras stora mängder som spillvärme. Med ökande energiförbrukning och miljöfrågor har utnyttjande av spillvärme fått mer uppmärksamhet de senaste åren. Termoelektrisk omvandling av energi är ett tillvägagångssätt som utnyttjar förmågan hos termoelektriska material att omvandla spillvärme till el.Den termoelektriska effekten studerades ursprungligen i början av 1800-talet med upptäckten av Seebeck-effekten. Termoelektriska material och enheter kan direkt omvandla termisk energi (temperaturgradienter) till elektrisk energi (spänning) och vice versa. Termoelektriska komponenter har använts i rymden som energikällor och för kylning i småskaliga instrument och anordningar. Emellertid förblir termoelektriska komponenter begränsade när det gäller breda tillämpningar. Traditionella termoelektriska material som Bi2Te3, PbTe och SnTe, har bra termoelektriska egenskaper, men deras nackdelar med toxicitet och oxidation när de utsätts för luft vid hög temperatur begränsar dem från utbredd användning, liksom det faktum att råmaterialet tellur är mycket sällsynt. Jämfört med traditionella termoelektriska material har Ca3Co4O9 inte bara de typiska fördelarna med oxider som låg kostnad och kemisk stabilitet vid höga temperaturer utan har också relativt goda termoelektriska egenskaper på grund av den komplexa strukturen som består av ledande CoO2-skikt och isolerande Ca2CoO3-skikt. Många strategier har använts för att förbättra dess termoelektriska prestanda. Termoelektriska tunna filmer kan uppvisa förbättrade termoelektriska egenskaper och leda till nya tillämpningar i flexibla enheter och miniatyrisering. Mekanisk flexibilitet kan induceras i Ca3Co4O9 genom att styra nanostrukturen.För att utforska hur man producerar Ca3Co4O9 tunna filmer och kontrollerar porositeten i filmerna har jag undersökt det nanoporösa Ca3Co4O9-systemet. Nanoporösa tunna Ca3Co4O9 filmer syntetiserades med sputtring för att bestämma de viktiga faktorerna som påverkar bildning och porositet i Ca3Co4O9-filmer.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Materialkemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences -- Materials Chemistry (hsv//eng)

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

lic (ämneskategori)