Projekti / Programi
Napredne anorganske in organske tanke plasti z ojačenim električno induciranim odzivom
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.01 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Materiali za elektronske komponente |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
tanke plasti, brizgalno tiskanje, dielektrični polimeri, celuloza, kompoziti
Raziskovalci (13)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.724 |
Povzetek
Predlagamo, da Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije financira temeljni raziskovalni projekt, katerega osnovna tematika je razvoj in karakterizacija novih anorganskih in organskih tankih plasti z ojačenim dielektričnim, elektromehanskim in elektrokaloričnim odzivom.
Osredotočili se bomo na več naprednih materialov:
- polprevodniške s strukturo jedro-lupina, feroelektrične in relaksorske keramične plasti;
- dielektrične, feroelektrične in relaksorske polimerne plasti;
- zmesi različnih polimerov na podlagi in polimerne kompozitne plasti.
Poseben poudarek bo na:
(i) novi tehnologiji izdelovanja keramičnih plasti, saj bodo strukture oblikovane z brizgalnim ("inkjet") tiskanjem tekočih prekurzorjev na različne podlage (steklo, polimerne folije, monokristali, keramika). Metoda temelji na oblikovanju kapljic z volumnom nekaj pL in njihovem nanosu na podlago skozi šobo s piezoelektričnim krmiljenjem in omogoča direktno oblikovanje struktur debelin v nanometrskem območju z mikrometrsko ločljivostjo;
(ii) aromatskih polimerih z izjemno visoko električno prebojno trdnostjo, nizkimi dielektričnimi izgubami in visoko električno energijsko gostoto;
(iii) izdelavi kompozitov, kjer bodo anorganski nanodelci razpršeni v matriki naravnih polimerov, n.pr. v celulozi.
Poleg slovenskega doprinosa k svetovnemu temeljnemu znanju - rezultati bodo (a) dodatno razjasnili mikroskopski izvor dielektričnega, elektromehanskega in elektrokaloričnega odziva v tankih plasteh in (b) prispevali k razumevanju vpliva zmanjševanja dimenzij na osnovne fizikalne lastnosti razvitih sistemov - pričakujemo za tri glavne sklope (i-iii), poudarjene v prejšnjem odstavku, sledeče rezultate:
(i-1) popolnoma brizgalno natisnjen (dielektrik + elektrode) prozoren tankoslojni kondenzator s stabilnimi dielektričnimi lastnostmi, primerljivimi z lastnostmi komercialnih kondenzatorjev;
(i-2) popolnoma natisnjene večplastne ("multilayer") elemente z izmeničnimi feroelektričnimi in prevodnimi plastmi z dobrim dielektričnim in elektromehanskim odzivom;
(ii) prostostoječa ArPTU-folija (oz. folija iz primerljivega aromatskega polimera) z nizkimi dielektričnimi izgubami in visoko energijsko gostoto;
(iii) fleksibilen, okolju prijazen kompozit iz celuloznih nanovlaken in grafena z veliko dielektrično konstanto in temperaturno stabilnim odzivom za aplikacije na področju superkondenzatorjev.
Pomen za razvoj znanosti
Glavni pričakovani rezultati predlaganega projekta so:
(i) učinkovita sinteza novih anorganskih in organskih tankih plasti z velikim dielektričnim, elektromehanskim in elektrokaloričnim odzivom,
(ii) razumevanje njihove fenomenologije, izhajajoč iz eksperimentalnih rezultatov,
(iii) formacija raziskovalcev (doktorskih in podoktorskih) in
(iv) znanstvene publikacije.
Predlagani projekt predstavlja
(a) slovenski doprinos k svetovnemu temeljnemu znanju in
(b) osnovo za verjetno aplikacijo.
(a) Pričakujemo, da bodo rezultati raziskav dodatno razjasnili mikroskopski izvor dielektričnega, elektromehanskega in elektrokaloričnega odziva v tankih plasteh, kar je
zelo zanimivo s stališča teorije električno induciranega odziva, predvsem pa bodo
prispevali k razumevanju vpliva zmanjševanja dimenzij na osnovne fizikalne lastnosti razvitih sistemov.
(b) Materiali z velikim električno induciranim odzivom so izjemno zanimivi za aplikacije na področju shranjevanja električnih nabojev in električne energije (dielektrični odziv), senzorjev in aktuatorjev (elektromehanski odziv) in naprednih hladilnih sistemov (elektrokalorični odziv). Poseben poudarek v okviru projekta bo namenjen trem
področjem, ki imajo tudi posebno uporabno vrednost:
(1) Brizgalno tiskanje bo omogočilo direktno oblikovanje nanometrskih struktur na različnih podlagah – anorganske plasti z veliko dielektrično konstanto ('high-K dielectrics') in energijsko režo večjo od 3,1 eV so poleg prevodnih oksidov gradniki transparentne elektronike, na primer tankoplastnih tranzistorjev ali kondenzatorjev na steklenih ali polimernih podlagah.
(2) Prostostoječa ArPTU folija oz. folija primerljivega aromatskega polimera bi bil zaradi stabilnih vrednosti dielektrične konstante v širokem temperaturnem in frekvenčnem intervalu ter nizkih izgub, ki so primerljive z izgubami v komercialnih sistemih (visokogostotni polietilen, HDPE, in polipropilen, PP) izjemno obetaven kandidat za uporabo v folijskih kondenzatorjih.
(3) Posebno uporabno vrednost pa bi imeli kompoziti, kjer bi v matriko naravnega polimera razpršili nanometrske vključke, kar bi zaradi velike polarizacije na mejah vključene faze vodilo do velikega električno induciranega odziva. Pričakujemo da bi bili taki, ekološko prijazni kompoziti, zaradi svoje fleksibilnosti in trdnosti izjemni kandidati za nizkostroškovne “zelene” fleksibilne naprave za shranjevanje energije (fleksibilni superkondenzatorji).
Pomen za razvoj Slovenije
The main expected results of the proposed project are:
(i) the effective synthesis of novel inorganic and organic thin films with high dielectric, electromechanical, and electrocaloric response,
(ii) understanding the phenomenology resulting from experimental data,
(iii) the formation of researchers (PhD and Post-Doctorate), and
(iv) scientific publications.
Proposed project represents
(a) a contribution to the world's knowledge and
(b) can form a basis for an application.
(a) We expect that the results will shed an additional light on the microscopic origins of the dielectric, electromechanical, and electrocaloric response in thin layers, which is very interesting for the theory of induced electrical response. Moreover, results should reveal the impact of reducing the dimensions on basic physical properties of the developed systems.
(b) Materials with enhanced electrically-induced response are extremely interesting for applications in the fields of electric charge and energy storage (dielectric response), sensors and actuators (electromechanical response), and advanced cooling systems (electrocaloric response). A special emphasize will be given to three areas with a particularly useful value:
(1) Inkjet printing will enable a direct patterning of nanometer-thick structures on various substrates – inorganic layers with a large dielectric constant (high- K dielectrics) and an energy gap greater than 3.1 eV are, in addition to conductive oxides, the main elements of transparent electronics, such as thin-film transistors or capacitors on glass or polymer substrates.
(2) Free-standing ArPTU film (or film made of a comparable aromatic polymer) should be, due to its stable values of the dielectric constant over broad temperature and frequency ranges and low losses, being comparable to losses in commercial systems (high density polyethylene, HDPE, and polypropylene, PP), an extremely promising candidate for use in foil capacitors.
(3) Finally, a particularly useful value would have composites, where nanoparticles are dispersed in a natural polymer matrix, which would, due to a large interfacial polarization, result in the enhanced electrically-induced response. We expect that such eco-friendly composites would be, due to their flexibility and strength, excellent candidates for low-cost, "green", flexible energy storage devices (flexible supercapacitors).
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
