Browsing by discipline "Inorganic Chemistry"
Now showing items 21-33 of 33
-
(2016)The deposition of high-quality metal thin films is an integral part of the modern microelectronic industry. As the downscaling of feature sizes continues, there is a constant demand for more accurate film deposition methods. Owing to its atomic level accuracy, atomic layer deposition (ALD) is a thin film deposition technique that has gained growing interest among researchers since it was patented in the 1970s. The ALD method is based on sequential saturating surface reactions that lead to a self-limiting growth mechanism and thus enable the deposition of conformal films even on complex structures. The impetus behind this thesis was to develop ALD processes for the deposition of as thin, continuous, and conducting metal films as possible. Thermally driven metal ALD processes are typically carried out at high temperatures increasing the extent of coarsening and thus limiting the deposition of thin yet continuous films. Plasma-enhancement has been employed to lower the deposition temperatures but with limited success. Photo-assistance could potentially be utilized to lower the deposition temperatures and thus provide an alternative for the use of plasma. So far, photo-ALD has mainly been utilized to merely enhance existing thermal ALD processes. The majority of the studied materials are oxides, but with the right tools and precursors the method could turn out suitable for metal deposition as well. Since there are no reports on the photo-ALD of metals, the literature review of this thesis concentrates on photochemical vapor deposition (photo-CVD) instead. The main motivation was to gain insight into the photochemistry occurring in the metal photo-CVD processes and then put this knowledge into practice in photo-ALD. Although most of the processes introduced in the literature review rely on gas-phase irradiation of the metal precursor or thermal decomposition achieved by the use of intense laser light, both of which may lead to CVD-type growth and are thus usually considered as undesirable effects in terms of ALD, valuable information regarding e.g. potential precursor candidates as well as reactor configurations for photo-ALD was acquired. The first part of the experimental section focuses on setting up the photo-ALD reactor the operation of which was then tested with a single-source Ta2O5 process known from literature. Analogous processes were developed for Nb2O5, TiO2, ZrO2, and HfO2 using the corresponding alkoxides as precursors. All the processes were identified as light induced based on area-selective deposition achieved with the use of near-contact masks. For the Ta2O5 process, the photolytic nature was further demonstrated with optical filtering and conformality studies. The deposition of Ru, Ag, Mo, Ti, and Cu was attempted using a variety of precursors. The depositions were carried out either by using the single-source approach or in the presence of a co-reactant. Mirror-like metal growth was observed only for Ru and Ag and furthermore, only on certain substrates. Neither Ru nor Ag was deposited on metals, and on oxides the growth appeared to stop after the formation of a continuous metal film. The film formation in the case of metals was found to be highly dependent on the substrate; however, further mechanistic investigation is necessary. Several explanations were proposed, but the answer remains ambiguous.
-
(2014)Plasmonic photocatalysts are emerging as a new group of photocatalysts with both UV and visible light activation, and show promising uses in wastewater treatment, water splitting and CO2 reduction by using sunlight. Plasmonic photocatalysts consist of noble metal nanoparticles dispersed onto a semiconductor photocatalyst and have two outstanding features: a Schottky junction and localised surface plasmonic resonance. By tailoring the size and shape of the noble metals and carefully choosing the right structure and composition of the photocatalyst material, it is possible to achieve enhanced photocatalytic efficiency and response to visible light. The aim of the experimental part in this work was to synthesise inorganic composite powders of GO/TiO2/Ag/AgCl and GO/SiO2/Ag/AgCl (GO, graphene oxide) and investigate their photocatalytic properties. Different synthesis parameters were modified during preparation of the composites. The loading of GO in GO/SiO2/Ag/AgCl composite and the reduction of silver ions by polyvinylpyrrolidone (PVP) in the synthesis of GO/TiO2/Ag/AgCl were examined. The photocatalytic activity was investigated by degradation of methylene blue (MB) for all composite powders and compared to a reference material (TiO2, Degussa P25). Thin films of selected GO/SiO2/Ag/AgCl compositions were prepared by dip coating. The photocatalytic measurements showed that the MB degradation rate of GO/SiO2/Ag/AgCl with 50 wt.% GO loading was comparable to Degussa P25. GO/TiO2/Ag/AgCl composites prepared using 2.5 ml and 0 ml of PVP during preparation showed superior MB degradation rates compared to Degussa P25. Preliminary depositions of GO/SiO2/Ag/AgCl thin films on glass substrates were rough, with a thickness up to 600 nm. Further research is required for thin film deposition on Si-substrates.
-
(2016)Ohutkalvojen kuvioiminen on tärkeä osa mikroelektroniikan tuotantoa ja se on noussut keskeiseen osaan komponenttien, kuten transistorien, koon alati pienetessä. Polymeerejä on käytetty ohutkalvojen kuvioimisessa jo varhaisista vaiheista asti ja ne ovat teollisuuden mittakaavassa edelleen elintärkeitä käytetyimmissä kuviointimenetelmissä. Atomikerroskasvatuksen (ALD) yleistyttyä polymeerejä on voitu käyttää monipuolisemmin, mikä on näkynyt polymeerisubstraattien yleistymisenä ja ohutkalvojen alueselektiivisten kasvatusten lisääntymisenä. Polymeerit mahdollistavat selektiivisen ALD:n makroskooppisilla alueilla, mikä on tämän työn kokeellisen osuuden aiheena. Kirjallisuusosassa tutustutaan ALD:n perusteisiin niin perinteisemmillä Si-substraateilla kuin polymeerisubstraateilla ja verrataan miten ALD-kalvojen kasvu eroaa näillä pinnoilla toisistaan. Substraattien pintakemian erojen ymmärtäminen on keskeisessä osassa, kun suunnitellaan polymeereihin perustuvia alueselektiivisiä ALD-sovelluksia. Kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan myös ohutkalvojen kuvioimiseen käytettyjä menetelmiä. Näihin kuuluu litografisia menetelmiä, kuten ultravioletti- ja elektronisuihkulitografia, sekä ALD:n mahdollistamia alueselektiivisiä kasvatuksia, jotka perustuvatpinnan aktivointiin tai passivointiin. Näitä menetelmiä on myös yhdistelty ja näin onnistuttu kuvioimaan ohutkalvoja tarkalla resoluutiolla suurille alueille. Esimerkkejä näistä ovat esimerkiksi kaksoiskuviointi, lohkokopolymeerilitografia ja siihen läheisesti yhteenkuuluva resistin muokkaus. Kirjallisuusosass tehdään myös katsaus kuvioimisessa yleisimmin käytettyihin polymeereihin, mihin lukeutuvat polyvinyylipyrrolidoni (PVP), polymetyylimetakrylaatti (PMMA), polydimetyylisiloksaani (PDMS), polytetrafluoroeteeni (PTFE) ja Kapton™-polyimidi. Kokeellisessa osassa tutkittiin passivointimateriaaleja, mitkä mahdollisesti pystyisivät estämään Al2O3-kalvon (AlMe3 + H2O -prosessi) kasvun Si-substraatille 150 - 325 °C:n lämpötiloissa. Testatut passivointimateriaalit olivat PVP, PMMA, PDMS ja niiden PTFE-komposiitit, sekä kaupallisia tuotteita, kuten Kapton™-polyimiditeippi, Parafilm™-laboratoriotiivistekalvo ja huopakynä. Kaikki passivointimateriaalit pystyivät tarkasti suojaamaan peittämänsä alueen Al2O3-kalvon kasvulta vielä 200 °C:n kasvatuslämpötiloissa. Kaikista parhaimmat tulokset kasvatuslämpötilan suhteen saatiin PMMA:n PTFE-komposiitilla, mikä pystyi passivoimaan peittämänsä alueen 300 °C:n kasvatuslämpötilassa. Lämpötilan kohotessa liian korkeaksi passivointimateriaalille, huomattiin hajoamisesta johtuvan uloskaasuttamisen aiheuttavan epätasaisuuksia ympäröivän kalvon kasvuun. Kaikki passivointimateriaalit pystyttiin poistamaan substraatilta kasvatuksen jälkeen substraattia vahingoittamatta tai peruuttamattomasti likaamatta.
-
(2016)In this thesis, the synthesis of titanium dioxide and sodium doped titanium dioxide nanofibers was undertaken through the use of the relatively new methods of solution blow spinning and electroblowing. These techniques are initially compared to other modern methods of nanofiber synthesis such as electrospinning, drawing, melt spinning and dry spinning. These techniques are evaluated based on production rate and the diameter of the formed nanofibers. This comparison shows that electroblowing and solution blow spinning are efficient high throughput methods for the formation of unordered nanofiber mats with diameters similar to those obtained in electrospinning. The formation of titanium dioxide nanofibers due to its role as a catalyst was of particular interest. Solution blow spinning and electroblowing are methods which employ the use of a high-velocity gas in order to stretch and elongate a viscous polymeric solution. While solution blow spinning relies entirely on the use of high-velocity gas, electroblowing additionally charges the elongated nanofibers which aids in the collection of the spun fibers, and this also affects the morphology of the final nanofibers. Inorganic nanofibers are obtained by adding a titanium dioxide precursor to the polymeric solution, which, upon calcination, forms solid titanium dioxide nanofibers. Dopants may also be added to the solution which allows for the formation of doped titanium dioxide nanofibers. Various solution and process parameters were studied in-depth in order to develop a full understanding of their effects on the diameters of the synthesized nanofibers. These parameters include the pressure of the gas, the feed-rate of the polymeric solution through the needle tip, the voltage applied to the needle tip, the concentration of the polymer and the distance from needle to the collector. After process and solution optimization, production rates of 0.39 g/h and 0.55 g/h were obtained for the titanium dioxide and sodium doped titanium dioxide nanofibers, respectively. With these optimized parameters, the average titanium dioxide fiber diameters measures 182 nm while the average sodium doped titanium dioxide diameters measured 184 nm. Crystallization studies were also conducted on the calcinated nanofibers. Both high-temperature in situ XRD studies as well as room temperature measurements on calcinated samples were done in order to cross-compare results and eliminate any errors associated with each individual method. The titanium dioxide nanofibers demonstrated a very defined crystallinity in which the fibers shifted from anatase to a predominantly rutile phase between the temperatures of 410 to 1050 °C. However, the sodium doped fibers demonstrated a mixed phase crystallinity in which no crystal structure was discernible.
-
(2014)The aim of this Master's Thesis was to broaden the understanding of formation of binary agglomerations in aqueous solutions. The central topic was supramolecular interactions and methods controlling the interactions in order to tailor the properties of nanocomposites. Specific attention was paid to catalytic activity, the responsivity to a magnetic field and controlling the catalytic activity of agglomerations by magnetic means. The results could be utilized in bottom up material applications. In the literature section of the thesis several topics are introduced, such as nanomagnetism, electrostatic interactions, diffusion and the formation mechanisms of agglomerations. Magnetoferritin and PAMAM-dendrimer are presented with their potential applications, which are magnetically stabilized reactors, noninvasive in situ imaging, sensing in optically thick media, spintronics and nanoelectronics, magnonic metamaterials and other applications that require high ordering and controllability of nanocomposites. In the experimental section the focus is on the agglomeration between the magnetoferritin of Pyrococcus furiosus archaea and PAMAM G3 dendrimer in aqueous solutions. The properties of the agglomerations were studied as a function of solution parameters. The parameters were pH, ionic strength, the generation of the dendrimer and the existence of the magnetoferritin mineral core. The effects of agglomeration on magnetic field responsivity and catalytic activity for the peroxidase reaction between 3,3',5,5'-tetramethylbenzidine and hydrogen peroxide were studied. The agglomeration sizes were monitored by dynamic light scattering and the proceeding of the indicator reaction by UV–VIS spectroscopy. The structures of the agglomerations were studied by small angle x-ray diffractometry. TEM was utilized to confirm the size, shape and structure of the agglomerations. The average electrokinetic potentials of the magnetoferritin and PAMAM were studied by zetapotential measurements. The catalytic activity of magnetoferritin diminished when it was agglomerated by PAMAM-dendrimer. The effect of precipitation could not be well studied with the current setup. A possible sidereaction was detected between mobile PAMAM and the product of the H2O2–TMB indicator reaction. Increase in the ionic strength resulted in faster agglomeration, which was against the expectations and differed from results of otherwise rather similar research projects. The addition of salt was expected to weaken the agglomeration by shadowing the electrostatic potentials. The effective mechanism is speculated to be caused by the size differences of the components and the shortening of Debye length as the ionic strength is increased. In that case the addition of salt might weaken more ferritin–ferritin repulsions than ferritin–PAMAM attractions. Increase in ionic strength also weakens the ordering in agglomerations. The electrokinetic potentials were shown to have varying effects on supramolecular behavior. Further studies are needed to understand better how such effects change the effective catalytic activity and the magnetic field responsivity of nanocomposites.
-
(2013)Fossiilisten polttoaineiden vähetessä on kehitetty uusiutuvia energianlähteitä hyödyntäviä tapoja tuottaa energiaa. Epäorgaanisten piipohjaisten aurinkokennojen rinnalle on noussut myös kiinteän olomuodon orgaanisia aurinkokennoja, joiden hyötysuhteet (10 %) ovat vielä huomattavasti piipohjaisia (24 %) matalammat. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli valmistaa ZnO-nanokuitua sähkökehräysmenetelmällä ja tutkia sen vaikutusta aurinkokennoihin. Sinkkiasetaatti-polymeeriliuosta sähkökehrättiin indiumseostetulla tinaoksidilla (ITO) päällystetyn lasisubstraatin tai ZnO-ohutkalvon päälle, jonka jälkeen kuitu kalsinoitiin ZnO:ksi uunissa. Kuitujen päälle lisättiin spin coating –menetelmällä orgaaninen aktiivinen kerros, jonka päälle höyrystettiin elektronien kulkua estävä puskurikerros ja hopeaelektrodi tyhjiöhöyrystimessä. Näytteitä tutkittiin absorptio- ja emissiospektroskopian avulla sekä tekemällä virta-jännitemittauksia aurinkokennoille. ZnO-kuituja tarkasteltiin pyyhkäisy-elektronimikroskoopin avulla. ZnO-kuidut kasvattivat aurinkokennon orgaanisen ja epäorgaanisen kerroksen välistä pinta-alaa, mikä paransi kennojen oikosulkuvirrantiheyttä (Jsc). Kuitenkin kuitu huononsi avoimen piirin jännitettä (Uoc) ja täyttöastetta (FF), joten kennojen hyötysuhteet olivat matalampia kuin vastaavien ZnO-ohutkalvokennojen hyötysuhteet. Ilman ZnO-ohutkalvoa valmistettujen kennojen hyötysuhde, avoimen piirin jännite ja täyttöaste kasvoivat kuitumaton paksuutta lisättäessä, mutta oikosulkuvirrantiheyden arvo oli huonompi paksummilla kuitukerroksilla. Donori-akseptoridyadit ovat molekyylejä, joissa on elektronin luovuttaja- ja vastaanottajaosat ja niissä voi tapahtua sisäinen elektroninsiirto. Porfyriinifullereenidyadeja tutkittiin myös osana orgaanisia aurinkokennoja. Ne lisättiin ZnO-kuidun tai ZnO-kalvon päälle self assembled monolayer -menetelmällä. Porfyriini-fullereenidyadin lisääminen orgaanisiin aurinkokennoihin paransi Uoc -arvoa. Kuitenkin Jsc huononi ja näin hyötysuhde pysyi samana. Optimoimalla ZnO-ohutkalvon ja -kuitukerrosten paksuutta ja näin lisäämällä dyadin määrää kennossa, Uoc voisi edelleen parantua. Dyadia sisältävän kennon hyötysuhteeksi saatiin 2,75 %. Paras hyötysuhde ZnO-kuituja sisältäville kennoille oli 2,39 %, kun ilman kuitua valmistettu ZnO-kalvollisen kennon hyötysuhde oli 2,96 %. Tutkimuksen edetessä havaittiin, että ITOn resistanssi muuttui kuidun kalsinoinnissa. ITOn sijasta voitaisiin käyttää fluorisaostettua tinaoksidia (FTO), joka kestää suurempia lämpötiloja. Aurinkokennoissa käytettävien ZnO-kuitujen läpimittaa tulisi pienentää, jotta hyötysuhteet paranisivat. Kuituja tulisi kehrätä myös tiheämmiksi kerroksiksi. Uusia mahdollisimman edullisia materiaaleja ja menetelmiä kennojen valmistamiseen on kehitettävä aurinkokennojen tehokkuuden parantamiseksi.
-
(2016)Termoelektriset materiaalit ovat yhä tärkeämpiä tulevaisuudessa pyrittäessä suurempaan energiatehokkuuteen. Hukkalämmön ja muilla keinoilla hyödyntämättömissä olevan lämmön talteenotto sähköenergian muodossa kasvattaa esimerkiksi hybridiautojen hyötysuhdetta ja rakennusten energiatehokkuutta. Tehokkaat termoelektriset laitteet ovat hyödyllisiä myös kaikissa sovelluksissa, joissa halutaan tuottaa tietty lämpötilaero tarkasti hankalissa paikoissa, missä resistiivinen lämmitys ei ole mahdollista. Erilaisilla nanokomposiittirakenteilla on pyritty pienentämään materiaalin lämmönjohtavuutta. Rajapinnat ja epäjatkuvuudet sirottavat hilavärähtelykvantteja eli fononeja, ja tuottamalla materiaaliin eri mittaluokkien kidevirheitä voidaan vaikuttaa lämmönjohtavuuteen merkittävästi. Tutkielman kirjallisuuskatsauksessa käsitellään dimensionaalisuuden vaikutusta materiaalin termoelektrisiin ominaisuuksiin ja eri rakenteiden hyödyntämistä termoelektrisissä sovelluksissa, sekä muutamia esimerkkejä termoelektrisistä nanokomposiittimateriaaleista. Kokeellisessa osassa tutkittiin erilaisia atomikerroskasvatuksella (ALD) valmistettuja Bi2Te3/Al2O3- ja Bi2Te3/polyimidi-nanorakenteita. Näytteiden koostumusta ja rakennetta analysoitiin eri menetelmillä: komposiittinäytteissä havaittiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) Bi2Te3-ohutkalvoille ominaista morfologiaa ja kalvot olivat melko karkeita. XRD:llä havaittiin materiaalille ominaisia kidetasoja, joiden intensiteettisuhteet poikkesivat kirjallisuuden bulkkinäytteistä huomattavasti. Komposiittirakenteen tutkimisessa läpivalaisuelektronimikroskopia (TEM) oli välttämätön menetelmä. Termoelektrisiä ominaisuuksia tutkittiin TDTR-menetelmällä ja Seebeckin kertoimia mittaamalla. Kerrospaksuuksia säätelemällä pystyttiin kasvattamaan sekä nanolaminaatteja että nanodispersioita. Pienemmillä kerrospaksuuksilla kalvot olivat dispersiomaisia ja suuremmilla kerrospaksuuksilla laminaatteja. Nanokomposiittirakenteen havaittiin pienentävän kalvon lämmönjohtavuutta jopa kaksi kolmasosaa. Samalla tosin Seebeckin kerroin pieneni pelkkään Bi2Te3-kalvoon verrattuna.
-
(2016)Tehokkaat ja uudelleenladattavat litiumioniakut ovat vakiinnuttaneet asemansa tärkeinä akkuina viime vuosina. Nykyiseen teknologiaan perustuvat litiumioniakut ovat kuitenkin saavuttamassa jo pienimmän realistisesti toteutettavan kokonsa. Ongelmia aiheuttaa myös nestemäinen elektrolyytti. Näitä akkuja korvaamaan on suunnitteilla kiinteitä elektrolyyttejä käyttäviä akkuja, esimerkiksi ohutkalvokakkuja. Tällaisista akuista voidaan tehdä pienempiä ja ne ovat myös turvallisempia energianlähteitä kuin nestemäisen elektrolyytin sisältävät akut. Kiinteitä elektrolyyttejä voidaan valmistaa esimerkiksi atomikerroskasvatusmenetelmällä (Atomic Layer Deposition, ALD), jonka etuina on kasvatettavan kalvon konformaalisuus ja säädeltävä paksuus. Tämän Pro Gradu -tutkielman kirjallisuuskatsauksessa käsitellään litiumioniakkujen nykytilannetta, kiinteiden akkurakenteiden ja 3D-rakenteen etuja ja vaatimuksia yleisesti, hyvien kiinteiden epäorgaanisten ionijohteiden rakennetta sekä ALD-menetelmän käyttöä erilaisten akkurakenteiden valmistuksessa. Kokeellisessa osassa tutkittiin atomikerroskasvatusmenetelmän ja kiinteän olomuodon reaktion yhdistelmää LiMOx-ohutkalvojen valmistukseen. Menetelmä osoittautui lupaavaksi. Sillä on mahdollista valmistaa LiMOx-materiaaleja, joissa litium on osana ternääristä yhdistettä. Käytetyssä menetelmässä binäärisen ALD-oksidikalvon päälle kasvatettiin ALD:llä litiumkarbonaattikalvo ja kerrosrakennetta kuumennettiin. Litiumionien käyttäytymistä tutkittiin useiden eri binääristen metallioksidien kanssa. Menetelmällä valmistettiin LiTaO3-, LiNbO3- ja Li2TiO3-kalvoja. Samalla menetelmällä saatiin litium liikkumaan HfO2- ja ZrO2-kalvojen läpi piisubstraatin pinnalle asti. Erityisesti jälkimmäiset tulokset ovat mielenkiintoisia kiinteitä elektrolyyttimateriaaleja ajatellen. HfO2-kalvon toimivuutta litiumionijohteena tutkittiin myös osana monimutkaisempaa rakennetta. Litium saatiin liikkumaan HfO2:n läpi ja muodostamaan Li2TiO3:ia Li2CO3/HfO2/TiO2/SiO2/Si-kerrosrakennetta kuumentamalla. ALD-menetelmän lisäksi litiumia sisältävän yhdisteen valmistusta metallioksidikalvon päälle tutkittiin myös spin coating -menetelmällä. Menetelmällä valmistettiin LiTaO3- ja Li2TiO3-kalvoja.
-
(2013)Mikroemulsioiden polarisoitavuutta ja polarisaation mittaamista on tutkittu varsin vähän. Ylipäätään mikroemulsioiden sähkökemiaa käsitteleviä kirjallisuuslähteitä on olemassa vain kourallinen, joten aiheeseen liittyvää perustutkimusta tarvitaan. Tässä Pro Gradu -tutkielmassa käsitellään litiumkloridin vesiliuoksesta, kahtaisionisesta betaiinisulfonaattisurfaktantista ja 1,2-dikloorietaanista muodostetun o/w -mikroemulsion yleisiä ominaisuuksia ja polarisoitavuutta. Mikroemulsion polarisaatiokokeet suoritettiin potentiometrisen titrauksen avulla. Mikroemulsio polarisoitiin liuottamalla siihen joko hydrofiilisesta kationista ja oleofiilisesta anionista tai oleofiilisesta kationista ja hydrofiilisesta anionista koostuvaa suolaa. Mikroemulsion vesifaasin ja 1,2-dikloorietaanifaasin välille muodostuva potentiaaliero mitattiin faasiselektiivisten elektrodien avulla. Tutkielman tulosten perusteella voitiin osoittaa, että tutkitun mikroemulsiosysteemin 1,2-DCE -faasi voidaan varata sekä positiiviseksi että negatiiviseksi ja että varauksesta aiheutuva, eri faasien välille muodostuva potentiaaliero voidaan mitata. Lisäksi voitiin osoittaa, että mikroemulsiosysteemien polarisoitavuuden tutkimiseen kehitettyä menetelmää voidaan hyödyntää useiden eri mikroemulsiosysteemien sähkökemiallisten ominaisuuksien tutkimisessa.
-
(2017)Vetyä halutaan varastoida sen suuren gravimetrisen energiatiheyden (142 MJ/kg) takia ja koska se olisi hiilidioksipäästötön energiankantaja. Vetyä on perinteisesti varastoitu joko paineistettuna kaasuna tai kryogeenisenä nesteenä, mutta näiden menetelmien ongelmina ovat olleet muun muassa niiden vaatimat korkeat paineet ja alhaiset lämpötilat. Yksi keino päästä näistä ongelmista eroon, on varastoida vetyä nestemäisiin orgaanisiin vedynkantajiin (LOHC), joita voidaan vedyttää ja joista voidaan poistaa vetyä reversiibelisti. LOHC-yhdisteet ovat yhdistepareja, jotka koostuvat vetyvajaasta aromaattisesta tai heteroamaattisesta yhdisteestä ja saman yhdisteen vedytetystä muodosta eli ali- tai heterosyklisesta yhdisteestä. Kirjallisuuskatsauksessa käsitellään vedyn ominaisuuksia, tuotantoa ja eri varastointimene-telmiä vedylle, LOHC-yhdisteiden toimintaperiaatteita vedyn varastoinnissa, LOHC-yhdisteiltä vaadittuja ominaisuuksia sekä karbatsolien, kinolien ja syklisten hiilivetyjen käyttöä LOHC-yhdisteinä. Kaikista näistä yhdisteryhmistä käsitellään vedytykseen ja vedyn poistoon vaadittavat katalyytit ja olosuhteet. Lisäksi karbatsoleista ja kinoleista käsitellään vedytyksen ja vedyn poiston mekanismit. Tutkielman kokeellisessa osuudessa tutkittiin kinaldiinin, kinoliinin, N-etyylikarbatsolin, dibentsyylitolueenin, 1-metyylinaftaleenin ja lutidiinin vedytystä Pt/C-, Pd/C-, Ru/Al2O3- ja Rh/AlO(OH)-katalyyteilla. Lisäksi tehtiin vedyn poistoja yhdisteille, jotka olivat onnistuneiden vedytyskokeiden tuotteita. Nämä yhdisteet olivat tetrahydrokinaldiini, tetrahydrokinoliini ja dodekahydro-N-etyylikarbatsoli.
-
(2018)Teollisen aktiivisuuden ja teollisuuden alojen lukumäärän lisääntyessä vesistöissä esiintyvät metallipitoisuudet ovat kasvaneet. Vesistöistä löytyvillä raskasmetalleilla on todettu olevan haitallisia vaikutuksia ihmisiin, eläimiin ja ympäristöön. Tällä hetkellä vesien metallianalytiikka perustuu kerran päivässä tehtäviin analyyseihin atomispektrometrian menetelmillä. Selkeästä tarpeesta huolimatta reaaliajassa useampaa metallia samanaikaisesti mittaavaa analysointimenetelmää ei vielä ole kehitetty. Tässä pro gradu -työssä jatkettiin Oulun yliopiston kehittämän vesianalytiikkaan suunnatun metallianalysaattorin tutkimusta yhteistyössä Neste Oyj:n kanssa. Tulevaisuuden kannalta tämän analysaattorin avulla voitaisiin monitoroida teollisuuden ja luonnonvesien sisältämiä metalleja ympärivuorokautisesti, mikä mahdollistaisi nopeamman reagoinnin ongelmatilanteissa. Pro gradu -työn kirjallisuusosassa käsitellään kokonaismetallipitoisuuksien määrityksessä käytettyjä analyysitekniikoita ja perehdytään erityisesti reaaliaikaisiin mikroplasmatekniikoihin. Kirjallisuusosan lopussa vertaillaan nykyisin käytössä olevia herkkiä ja selektiivisiä atomispektrometrian sovelluksia kehityskaarensa alussa oleviin reaaliajassa metalleita mittaaviin tekniikoihin. Pro gradu -työn kokeellisessa osassa tutkittiin mikroplasmaemissiospektroskopian soveltuvuutta reaaliaikaiseen metallipitoisuuksien määrittämiseen virtaavista vesinäytteistä. Työn tavoitteena oli valmistella metallianalysaattori kenttämittauksiin Nesteen vesilaitokselle, mitä varten laitteiston mittausparametrit optimoitiin kymmenen eri metallin osalta. Lisäksi kenttämittauksia varten tutkittiin eri kalibrointimenetelmien toimivuutta laitteistolla ja määritettiin sisäinen standardi, joka mahdollistaisi laitteen toiminnan pitkäaikaisen monitoroinnin sekä matriisivaikutuksista ja laitteen epävakaudesta johtuvien häiriöiden minimoimisen.
-
X-ray absorption studies on lithium manganese oxide thin films deposited by atomic layer deposition (2018)Lithium ion batteries (LIBs) are used as power sources in most of portable devices, electronic cars and many other applications today. As the industry demands for smaller devices, new focus has raised for nanostructured electrodes and all solid state batteries. LIBs are rechargeable batteries, which means that Li+-ions migrate between anode and cathode reversibly. For the battery to work, the electrodes need to be stable when Li+-ions are intercalated and removed from the structure. LiMn2O4 is a promising material for a cathode, because the three-dimensional manganese oxide network enables intercalation of additional lithium ions also beyond the 1:1 Li:Mn stoichiometry resulting in structures in the range of LixMn2O4, 0 ≤ x ≤ 2. The non-stoichiometric behavior improves the specific capacity of the battery compared to other possible lithium intercalation cathode materials like LiCoO2 and LiNiO2. Atomic layer deposition (ALD) is a gas phase thin film deposition technique where the precursors are led to react on the surface one by one. Because no chemical reaction is taking place in the gas phase, the film growth is highly controllable and the resulting films have excellent purity and high uniformity and conformity. ALD is superior thin film deposition technique even on top of 3D structures and when depositing ultra-thin films. This makes it excellent technique to deposit electrode materials for LIBs. X-ray absorption spectroscopy (XAS) measures the absorption of the material as a function of x-ray energy. With a tunable light source it is possible to study a selected electron core shell of a specific element. XAS gives then information on the electronic structure as well as the local crystal structure of the selected atom in the material. Therefore, XAS is an excellent technique for studying the intercalation and de-intercalation processes of LiMn2O4. The literature part of this thesis describes the synthesis of LiMn2O4 thin films and the behavior of the material as a working cathode in LIB. The focus is especially on XAS studies on LiMn2O4. The experimental part involves a study on ALD grown β-MnO2 and LixMn2O4, 0 ≤ x ≤ 1, thin films with XAS, X-ray diffraction (XRD), X-ray reflectivity (XRR), time-of-flight elastic recoil detection analysis (TOF-ERDA), residual stress measurements and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The aim of the study was to define how and where Li+ -ions intercalate in the β-MnO2 structure. To clarify the intercalation process, K and L core shells of manganese and K core shell of oxygen were studied with XAS. Samples were prepared at 225 ˚C by using earlier known ALD processes. First β-MnO2 film was deposited and then lithium was added by pulsing LiOtBu and H2O alternately on to the β-MnO2 film. The films were annealed after the deposition, however the lithium intercalation was observed to start already during the LiOtBu – H2O pulsing sequence. For the lithium intercalation mechanism, it is proposed that in the beginning the Li+-ions penetrate only to the top part of the β-MnO2 film and a lithium deficient non-stoichiometric phase LixMn2O4, 0 < x < 0.5, is formed. When the lithium concentration exceeds x ≈ 0.5 in LixMn2O4, the phase changes from the tetragonal pyrolusite to the cubic spinel, which enables Li+-ions to migrate throughout the whole film. Annealing in air after deposition seemed to convert the phase completely to the pure cubic spinel LiMn2O4.
-
(2016)Ohutkalvojen mikrorakenne, joka käsittää esimerkiksi raekoon, tekstuurin ja jännitykset, vaikuttaa ohutkalvojen ominaisuuksiin ja edelleen kalvojen toimivuuteen erilaisissa sovelluksissa. Mikrorakenteen kehityksen ymmärtäminen on siten välttämätöntä kalvojen ominaisuuksien muokkaamiseksi eri sovellusten tarpeisiin. Ohutkalvojen mikrorakenteen kehitys alkaa ydintymisestä eli ensimmäisten kalvomateriaalin ydinten muodostumisesta substraatille. Ydintymisen jälkeen mikrorakenne kehittyy edelleen ydinten kasvu-, yhteensulautumis-, ja kalvon paksuuntumisvaiheiden aikana. Useissa sovelluksissa käytettävien ohutkalvojen paksuudet ovat viime vuosikymmeninä pienentyneet samalla, kun vaatimukset kalvojen luotettavuutta ja ominaisuuksia kohtaan ovat kasvaneet. Tämän vuoksi erityisesti ydintymisvaiheen tutkiminen, ymmärtäminen ja muokkaaminen on ensiarvoisen tärkeää. Kirjallisuusosiossa tarkastellaan mikrorakenteen kehittymisen yleispiirteitä sekä erityisesti ydintymistä ja mikrorakenteen kehitystä atomikerroskasvatuksessa (ALD). ALD-kalvojen ydintymisen ja erilaisten ydintymismallien lisäksi käsitellään aluksi amorfisena kasvavien ALD-kalvojen kiteytymistä kasvatuksen aikana sekä monikiteisten ALD-kalvojen mikrorakenteen kehittymistä paksuuntumisvaiheessa. Yleisluontoisempien havaintojen lisäksi mikrorakenteen kehitystä tarkastellaan yksityiskohtaisesti oksidien (erityisesti alumiinioksidi ja ryhmän 4 oksidit), platinametallien (Ru, Pt, Ir ja Pd) sekä kalkogenidien (erityisesti sinkkisulfidi) osalta ydintymisvaiheeseen keskittyen. Kokeellisessa osiossa tutkittiin Ir- ja IrO2-kalvojen atomikerroskasvatusta. ALD-platinametallikalvojen ydintymisvaihe ymmärretään lukuisista tutkimuksista huolimatta huonosti. Iridium on jäänyt sen hyvistä ominaisuuksistaan huolimatta enemmän tutkittujen platinan ja ruteenin varjoon sekä kalvojen ominaisuuksia että ydintymistä tutkittaessa. Tämän tutkielman kokeellinen osa on jaettu neljään osaan, joissa tarkastellaan iridiumin ja iridiumoksidin (IrO2) kasvatusta Ir(acac)3 (acac = asetyyliasetonaatti) -lähtöaineesta. Aiemmin tutkittujen Ir(acac)3+ilma-, Ir(acac)3+O2- ja Ir(acac)3+O3+H2-prosessien lisäksi iridiumia kasvatettiin uudella Ir(acac)3+O2+H2-prosessilla, jossa pinnalle adsorboitunut happi poistettiin vedyllä. Iridiumoksidia kasvatettiin aiemmin tutkitulla Ir(acac)3+O3-prosessilla. Ensimmäisessä osassa vertailtiin Ir- ja IrO2-prosessien ydintymisvaihetta. Ydintymisen havaittiin olevan nopeinta uudessa Ir(acac)3+O2+H2-prosessissa ja hitainta otsoniprosesseissa. Toisessa osassa uutta O2+H2-prosessia verrattiin eniten käytettyyn O2-prosessiin 200–350 °C lämpötila-alueella. Hapen poistaminen vaikutti selvästi kalvojen kasvunopeuteen, morfologiaan, karkeuteen, resistiivisyyteen, raekokoon ja tekstuuriin. Kolmannessa osassa tutkittiin Ir- ja IrO2-prosessien konformaalisuutta VTT:n kehittämien testinäytteiden avulla. O3+H2-prosessin konformaalisuus osoittautui tutkituista prosesseista selvästi parhaaksi. Tämän konformaalisuus oli erinomainen myös aiemmin kirjallisuudessa tutkittuihin ALD-platinametalliprosesseihin verrattuna. Viimeisessä luvussa tutkittiin otsonin mahdollista iridiumkalvoja etsaavaa vaikutusta. Etsautumista vaikutti tapahtuvan käytettäessä otsonia reaktanttina tai altistamalla kalvo otsonille jokaisen iridiumia kasvattavan ALD-syklin jälkeen. Aiemmin kasvatettujen iridiumkalvojen etsaaminen otsonilla ei kuitenkaan onnistunut.
Now showing items 21-33 of 33