Nanostructured materials and devices for sensing and energy harvesting applications

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.