Upogljivi elementi z multi-fizikalnimi lastnostmi
Oznaka in naziv projekta
J2-3058 Upogljivi elementi z multi-fizikalnimi lastnostmi
J2-3058 Flexible elements with multi-physical properties
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: Hana Uršič Nemevšek
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Človeško telo je nenehno v gibanju in kot skoraj vse ostalo v okolju vsebuje poljubno ukrivljene, nepravilno oblikovane in gibljive površine. Upogljivi elektronski elementi lahko sprejmejo katero koli obliko, kar omogoča vrsto novih aplikacij, na primer elektronske obleke, prilagodljive prikazovalnike, nosljivo in vsadljivo medicinsko elektroniko ter prilagodljive senzorske mreže. Te prilagodljive elemente je mogoče izdelati na tankih folijah iz polimerov ali kovin, kar omogoča njihovo upogljivost in prožnost.
Svet se sooča z resnimi težavami povezanimi s hlajenjem, ki temelji na stari in neučinkoviti tehnologiji hlajenja s kompresijsko tehniko. Ena izmed rešitev rešitev za hlajenje/segrevanje je uporaba okolju prijaznega hlajenja na osnovi trdnih materialov, ki izkazujejo kalorični pojav. Ta nova tehnologija se lahko uporablja na področjih, kjer uporaba tehnologije kompresije hlapov ni možna, zlasti pri hlajenju majhnih elektronskih naprav in njihovih komponent.
Keramični dielektrični kondenzatorji lahko v kratkem času (tj. med µs in ms) absorbirajo in oddajajo močne napetostne ali tokovne impulze, zaradi česar so primerni za shranjevanje energije v elektronskih aplikacijah z impulzno močjo, ki jih lahko najdemo v medicinskih napravah, prevoznih sredstvih, letalski elektroniki in energetskih sistemih, na primer v fotovoltaiki. Med različnimi keramičnimi dielektričnimi materiali, goste debele plasti z debelino med mikronom in nekaj mikroni, izkazujejo do sedaj najobetavnejšo zmogljivost shranjevanja energije. V tem projektu bomo vse omenjene lastnosti združili v en element. Pripravili bomo funkcijske elemente, ki bodo upogljivi in prilagodljivi ter bodo imeli sposobnost hlajenja in shranjevanja energije.
Funkcijske keramične plasti se tradicionalno pripravljajo pri temperaturah nad 900 °C. Pri tako visokih temperaturah številne kovine na zraku oksidirajo, stekla stopijo in polimeri popolnoma zgorijo. To nakazuje, da je združitev funkcijskih keramičnih plasti z materiali, ki so nestabilni pri visokih temperaturah izjemno težko, kar omejuje možnosti kombiniranja materialov ter posledično omeji funkcionalnost elementov. Tehnika nanosa v aerosolu temelji na mešanju koloidnih delcev v nosilnem plinom, kateri pospešijo do hitrosti nekaj 100 m·s−1, dokler curek aerosola ne zadane podlage, kot so kovinske, steklene, polimerne ali keramične površine. Gostota plasti pripravljenih s tehniko nanosa v aerosolu je običajno večja od 95% teoretične gostote materiala, kar pomeni, da dodatno zgoščevanje plasti s termično obdelavo ni potrebna. Tehnika nanosa v aerosolu je atraktivna metoda za združevanje keramičnih, kovinskih oz. polimernih materialov za tvorbo kompozitov iz običajno nezdružljivih materialov s pomočjo preprostega enostopenjskega tehnološkega procesa. Ravno ta zmožnost kombiniranja med seboj različnih nekompatibilnih materialov, omogoča izdelavo novih fleksibilnih multi-fizikalnih struktur z elektrokaloričnimi, piezoelektričnimi in magnetnimi lastnostmi ter z možnostjo shranjevanje energije.V raziskavi bomo obravnavali relaksor-feroelektrične materiale na osnovi (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–xPbTiO3 (PMN–100xPT).
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza: Razvoj upogljivih elektrokaloričnih elementov na osnovi PMN–10PT z zmožnostjo shranjevanja energije
2. Faza: Razvoj upogljivih elementov z multi-fizikalnimi lastnostmi na osnovi PMN–35PT
3. Faza: Razvoj upogljivih »vse-v-enem« elementov z multi-fizikalnimi lastnostmi
4. Upravljanje projekta: objavljenih je 10 znanstvenih člankov. Raziskave smo predstavili tudi na mednarodnih konferencah (nekaj bibliografskih referenc je spodaj). Eden od članekov je bil vključen v zbirko najbolj priljubljenih člankov Journal of Materials Chemistry C 2023. Ta zbirka predstavlja nekaj najbolj citiranih, največkrat prenašanih ali največkrat deljenih člankov iz leta 2023, objavljenih v reviji Journal of Materials Chemistry C.
Bibliografske reference
ZNANSTVENI ČLANKI
1. ŠADL Matej, NADAUD Kevin, BAH Micka, LEVASSORT Franck, ECKSTEIN Udo, KHANSUR Neamul Hayet, WEBBER Kyle Grant and URŠIČ Hana. Multifunctional energy storage and piezoelectric properties of 0.65Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−0.35PbTiO3 thick films on stainless-steel substrates. J. Phys. energy, 2022, vol. 4, 024004-1-10 [COBISS.SI-ID 104197123].
2. NADAUD Kevin, ŠADL Matej, BAH Micka, LEVASSORT Franck and URŠIČ Hana. Effect of thermal annealing on dielectric and ferroelectric properties of aerosol deposited 0.65Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3 thick films. Applied physics letters, 2022, vol. 120, 112902-1-112902-6 [COBISS.SI-ID 101448451].
3. Šadl Matej, Lebar Andrej, Valentinčič Joško and Uršič Hana. Flexible energy-storage ceramic thick-film structures with high flexural fatigue endurance. ACS applied energy materials, 2022, vol. 5, str. 6896-6902 [COBISS.SI-ID 110882307].
4. Uršič Hana, Šadl Matej. Investigation of piezoelectric 0.65Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−0.35PbTiO3 films in cross-section using piezo-response force microscopy. Applied physics letters, 2022, vol. 121, str. 192905-1-192905-7 [COBISS.SI-ID 129118467].
5. MERSELMIZ Soukaina, HANANI Zouhair, PRAH Uroš, SPREITZER Matjaž, VENGUST Damjan, URŠIČ Hana, FABIJAN, David, KUTNJAK, Zdravko, et al. Design of lead-free BCZT-based ceramics with enhanced piezoelectric energy harvesting performances. Physical chemistry chemical physics: a journal of European Chemical Societies, 2022, vol. 24, str. 6026-6036 [COBISS.SI-ID 102360579].
6. ECKSTEIN Udo, ŠADL Matej, DRAGOMIR Mirela and URŠIČ Hana, et al. Room temperature deposition of freestanding BaTiO3 films. Journal of Materials Science, ISSN 0022-2461, 2022, vol. 57, str. 13264-13286, [COBISS.SI-ID 107830019].
7. Žiberna Katarina, Šadl Matej, Drnovšek Aljaž, Dražić Goran, Uršič Hana, Benčan Andreja. Influence of thermal treatment on the cross-sectional properties of aerosol-deposited 0.9Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−0.1PbTiO3 thick films. Crystals, 2023, vol. 13, COBISS.SI-ID 146071811].
8. Prah Uroš, Šadl Matej, Torrelo Alvar, Lheritier Pierre, Kovacova Veronika, Uršič Hana, Defay Emmanuel. Direct electrocaloric characterization of ceramic films. Small methods 2023, vol. 7 [COBISS.SI-ID 153049859].
9. ŠADL, Matej, PRAH, Uroš, KOVACOVA, Veronika, DEFAY, Emmanuel, ROJAC, Tadej, LEBAR, Andrej, VALENTINČIČ, Joško, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Multifunctional flexible ferroelectric thick-film structures with energy storage, piezoelectric and electrocaloric performance. Journal of materials chemistry. C, Materials for optical and electronic devices. [Online ed.]. 2023, 11, str. 10058-10068, ilustr. ISSN 2050-7534. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2023/TC/D3TC01555F, https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=152369, DOI: 10.1039/D3TC01555F. [COBISS.SI-ID 160044035] Članek je bil vključen v zbirko najbolj priljubljenih člankov Journal of Materials Chemistry C 2023.
10. ŠADL, Matej, REPIČ, Barbara, GORIČAN, Ivana, KUŠČER, Danjela, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Aerosol-deposition-derived graphite thick films for electrochemical sensors = Debele plasti grafita nanešene v aerosolu za elektrokemijske senzorje. Informacije MIDEM. [Spletna izd.]. Jun. 2024, vol. 54, no. 3, str. 1-11, ilustr. ISSN 2232-6979. http://www.midem-drustvo.si/Journal%20papers/MIDEM_54(2024)3p2.pdf, DOI: 10.33180/InfMIDEM2024.302. [COBISS.SI-ID 204689411], [JCR, SNIP, Scopus]
NEKAJ PRISPEVKOV IZ KONFERENC
1. ŠADL, Matej, ROJAC, Tadej, LEBAR, Andrej, VALENTINČIČ, Joško, NADAUD, Kevin, BAH, Micka, LEVASSORT, Franck, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3 thick films integrated by aerosol deposition on low-cost stainless-steel and flexible polymer substrates. V: EMA 2023 : Basic Science and Electronic Materials Meeting : January 17–20, 2023, Orlando, Florida, USA. Westerville: The American Ceramic Society. 2023, 1 spletni vir. https://ceramics.org/event/ema-2023-basic-science-and-electronic-materials-meeting-archive. [COBISS.SI-ID 149954563]
2. ŠADL, Matej, LEBAR, Andrej, VALENTINČIČ, Joško, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Integration of relaxor-ferroelectric 0.9Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−0.1PbTiO3 thick films on polymer substrates. V: NOVAK, Rok (ur.), et al. 14. študentska konferenca Mednarodne podiplomske šole Jožefa Stefana = 14th Jožef Stefan International Postgraduate School Students' Conference : knjiga povzetkov = book of abstracts : 1. - 3. junij 2022, Kamnik, Slovenia = 1st - 3rd June, 2022, Kamnik, Slovenia. 14. študentska konferenca Mednarodne podiplomske šole Jožefa Stefana, 1. - 3. junij 2022, Kamnik, Slovenia = 14th Jožef Stefan International Postgraduate School Students' Conference, 1st - 3rd June, 2022, Kamnik, Slovenia. Ljubljana: Jožef Stefan Institute: Jožef Stefan International Postgraduate School, 2022. Str. 93. http://ipssc.mps.si/Book_of_Abstracts.pdf. [COBISS.SI-ID 113991427]
3. ŠADL, Matej, ROJAC, Tadej, LEBAR, Andrej, VALENTINČIČ, Joško, NADAUD, Kevin, BAH, Micka, LEVASSORT, Franck, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Aerosol-deposited 0.65Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−0.35PbTiO3 thick films for energy applications. V: ROJAC, Tadej (ur.), OTONIČAR, Mojca (ur.). 57th International Conference on Microelectronics, Devices and Materials & The Workshop on Energy Harvesting: Materials and Applications : conference 2022 : proceedings : September 14 - September 16 2022, Maribor, Slovenia. Ljubljana: MIDEM - Society for Microelectronics, Electronic Components and Materials, 2022. Str. 111-112. ISBN 978-961-95495-1-3. [COBISS.SI-ID 122025987]
4. ŠADL, Matej, CONDURACHE, Oana, BENČAN, Andreja, DRAGOMIR, Mirela, MALIČ, Barbara, LEBAR, Andrej, VALENTINČIČ, Joško, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana, et al. Energy storage Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3 thick films integrated by aerosol deposition on metal and polymer substrates. V: ISAF 2022: ISAF-PFM-ECAPD [joint conference]: June 27-July 1, 2022, Tours, France. Piscataway: IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers. 2022, 26 str., ilustr. https://isaf-virtual.org/presentation/lecture/energy-storage-pbmg13nb23o3%E2%88%92pbtio3-thick-films-integrated-aerosol-deposition. [COBISS.SI-ID 114797315]
5. REGIS DE MORAES, Victor, ŠADL, Matej, BENČAN, Andreja, DRAŽIĆ, Goran, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Preparation of lead magnesium niobate-based multicaloric composites using the aerosol deposition method. V: Conference and exibition of the European Ceramic Society : When ceramists meet in the city of lights : 18th ECERS, Lyon, France, 2-6 Jul. 2023 : program book. Lyon: ECERS, 2023. Str. [1]. https://www.ecers2023.org/en/program/full-conference-program/34?paramSearch34-0=Regis. [COBISS.SI-ID 163726595]
6. URŠIČ NEMEVŠEK, Hana, ŠADL, Matej, GORIČAN, Ivana, REGIS DE MORAES, Victor. Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-based thick-film elements prepared by the aerosol deposition method. V: ECAPD 2024 : European Conference on Applications of Polar Dielectrics. [S. l.: s. n. 2024, 1 spletni vir. https://ntnu.eventsair.com/QuickEventWebsitePortal/ecapd2024/program-ecapd/Agenda/AgendaItemDetail?id=1055a076-51d9-45f0-88ff-f3d237871987. [COBISS.SI-ID 199776771]
7. URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Advances in thick-film technology for novel applications : [plenary lecture]. V: Electroceramics XIX Conference. [S. l.: s. n. 2024, 1 spletni vir. https://electroceramicsxix.exordo.com/programme/presentation/122. [COBISS.SI-ID 204950531]
8. URŠIČ NEMEVŠEK, Hana, ŠADL, Matej, REGIS DE MORAES, Victor. Aerosol deposition of functional thick films on metal and polymer substrates. V: International Conference on "Advanced Functional Materials and Devices" (AFMD-2024) : February 26-29 2024, India : proceedings. Tamil Nadu: Nanotechnology Research centre, SRMIST. Str. 71, ilustr. https://afmdsrmist2024.in/. [COBISS.SI-ID 189666563]