Tarkkuusannostelulaitteen kehittäminen

Prosessiteollisuuden aloilla, kuten lasin raaka-ainelaitoksissa ja laasti- ja tasoitetehtaissa, prosessin onnistumisen kannalta jauhemaisten raaka-aineiden tarkka annostelu on avainasemassa. Diplomityön tarkoituksena oli kehittää olemassa olevan idean pohjalta uusi materiaalin annostelulaite jauhemaisille ja fluidisoituville aineille. Tavoitteena oli suunnitella annostelulaite toimivalle prototyyppiasteelle ja saamaan siitä informaatiota materiaalilaboratoriossa tehtävien annostuskokeiden avulla. Työssä tarkasteltiin aluksi yleisesti jauhemaisen aineen ominaisuuksia ja ongelmia, tyypillisiä annostelulaitteita ja annostustarkkuuteen ja punnitustarkkuuteen vaikuttavia tekijöitä. Varsinainen laitekehitys eteni tyypillisen tuotekehitystyön mukaisesti. Annostuslaite kattaa laaj an dynaamisen toiminta-alueen eli massavirran säätömandollisuus on samalla toimilaitteella aikaisempia annostelulaitteita laajempi. Laite soveltuu erittäin tarkkaan annostukseen hyvin lyhyellä annostusajalla. Hyvät ja luotettavat annostusjärjestelmät myötävaikuttavat merkittävästi koko tehdaskaupan saamiseen, koska asiakas säästää työvoimakustannuksissa ja laatukustannuksissa. Kehittämällä jauhemaisten aineiden annostusta saadaan tekninen etumatka kilpailijoihin nähden.

Ion modulated organic transistors

I likhet med vanliga plaster är de π-konjugerade polymererna flexibla, lösliga och processbara vid låga temperaturer (< 150 ºC). Därutöver har de egenskapen att leda ström. Konduktivitetsintervallet är brett och omfattar nästintill metallisk ledningsförmåga å ena sidan, via halvledarkonduktiva till isolerande å andra sidan. Polymererna utgörs av regelbundna kedjor av kolatomer och associeras sålunda till organiska material. Sedan de första vetenskapliga rapporterna publicerades vid slutet av 1970-talet har π-konjugerade polymerer använts och utvecklats i exempelvis solceller, dioder, lysdioder och transistorer. Nobelpriset i kemi tilldelades år 2000 åt Hideki Shirakawa, Alan J. Heeger och Alan G. MacDiarmid för upptäckten och utvecklandet av ledande polymerer. I min avhandling har jag arbetat med att utveckla och förstå lågspännings jonmodulerade organiska transistorer. Två typer av jonmodulerade organiska transistorer studeras: (1) den jonmodulerade organiska fälteffekt transistorn (jonmodulerade OFETen), som utgör den centrala transistorn i avhandlingen, samt (2) den elektrokemiska transistorn. Den första typen fungerar som en konventionell OFET. Strömmen i halvledaren moduleras av det elektriska fältet över isolatorn. Med användandet av en elektrolyt ”isolator” orsakar polariseringen av jonerna däremot ett högt elektriskt fält vid elektrolyt/halvledargränssnittet och man åstadkommer modulering av strömmen redan vid några volts drivspänningar. I den andra typen utnyttjas elektrokemi för att medelst reduktion/oxidation modulera strömmen i den π-konjugerade polymeren. Ett viktigt ändamål i avhandlingen har också varit att kunna tillverka transistorerna med masstillverkningsmetoder. I avhandlingen presenteras de jonmodulerade organiska transistorernas möjlighet att framställas med masstillverkningsmetoder. Nya koncept introduceras och svagheter identifieras. Skillnaderna mellan OFETen, jonmodulerade OFETen och den elektrokemiska transistorn klargörs. Arbetet skall däremot inte anses fullbordat utan forskningen fortgår för att kringgå svagheterna, öka på transistorernas stabilitet och framförallt tillämpa dem i innovativa applikationer.

Charge transport in disordered materials : simulations, theory, and numerical modeling of hopping transport and electron-hole recombination

Min avhandling behandlar hur oordnade material leder elektrisk ström. Bland materialen som studeras finns ledande polymerer, d.v.s. plaster som leder ström, och mer allmänt organiska halvledare. Av de här materialen har man kunnat bygga elektroniska komponenter, och man hoppas på att kunna trycka hela kretsar av organiska material. För de här tillämpningarna är det viktigt att förstå hur materialen själva leder elektrisk ström. Termen oordnade material syftar på material som saknar kristallstruktur. Oordningen gör att elektronernas tillstånd blir lokaliserade i rummet, så att en elektron i ett visst tillstånd är begränsad t.ex. till en molekyl eller ett segment av en polymer. Det här kan jämföras med kristallina material, där ett elektrontillstånd är utspritt över hela kristallen (men i stället har en väldefinierad rörelsemängd). Elektronerna (eller hålen) i det oordnade materialet kan röra sig genom att tunnelera mellan de lokaliserade tillstånden. Utgående från egenskaperna för den här tunneleringsprocessen, kan man bestämma transportegenskaperna för hela materialet. Det här är utgångspunkten för den så kallade hopptransportmodellen, som jag har använt mig av. Hopptransportmodellen innehåller flera drastiska förenklingar. Till exempel betraktas elektrontillstånden som punktformiga, så att tunneleringssannolikheten mellan två tillstånd endast beror på avståndet mellan dem, och inte på deras relativa orientation. En annan förenkling är att behandla det kvantmekaniska tunneleringsproblemet som en klassisk process, en slumpvandring. Trots de här grova approximationerna visar hopptransportmodellen ändå många av de fenomen som uppträder i de verkliga materialen som man vill modellera. Man kan kanske säga att hopptransportmodellen är den enklaste modell för oordnade material som fortfarande är intressant att studera. Man har inte hittat exakta analytiska lösningar för hopptransportmodellen, därför använder man approximationer och numeriska metoder, ofta i form av datorberäkningar. Vi har använt både analytiska metoder och numeriska beräkningar för att studera olika aspekter av hopptransportmodellen. En viktig del av artiklarna som min avhandling baserar sig på är att jämföra analytiska och numeriska resultat. Min andel av arbetet har främst varit att utveckla de numeriska metoderna och applicera dem på hopptransportmodellen. Därför fokuserar jag på den här delen av arbetet i avhandlingens introduktionsdel. Ett sätt att studera hopptransportmodellen numeriskt är att direkt utföra en slumpvandringsprocess med ett datorprogram. Genom att föra statisik över slumpvandringen kan man beräkna olika transportegenskaper i modellen. Det här är en så kallad Monte Carlo-metod, eftersom själva beräkningen är en slumpmässig process. I stället för att följa rörelsebanan för enskilda elektroner, kan man beräkna sannolikheten vid jämvikt för att hitta en elektron i olika tillstånd. Man ställer upp ett system av ekvationer, som relaterar sannolikheterna för att hitta elektronen i olika tillstånd i systemet med flödet, strömmen, mellan de olika tillstånden. Genom att lösa ekvationssystemet fås sannolikhetsfördelningen för elektronerna. Från sannolikhetsfördelningen kan sedan strömmen och materialets transportegenskaper beräknas. En aspekt av hopptransportmodellen som vi studerat är elektronernas diffusion, d.v.s. deras slumpmässiga rörelse. Om man betraktar en samling elektroner, så sprider den med tiden ut sig över ett större område. Det är känt att diffusionshastigheten beror av elfältet, så att elektronerna sprider sig fortare om de påverkas av ett elektriskt fält. Vi har undersökt den här processen, och visat att beteendet är väldigt olika i endimensionella system, jämfört med två- och tredimensionella. I två och tre dimensioner beror diffusionskoefficienten kvadratiskt av elfältet, medan beroendet i en dimension är linjärt. En annan aspekt vi studerat är negativ differentiell konduktivitet, d.v.s. att strömmen i ett material minskar då man ökar spänningen över det. Eftersom det här fenomenet har uppmätts i organiska minnesceller, ville vi undersöka om fenomenet också kan uppstå i hopptransportmodellen. Det visade sig att det i modellen finns två olika mekanismer som kan ge upphov till negativ differentiell konduktivitet. Dels kan elektronerna fastna i fällor, återvändsgränder i systemet, som är sådana att det är svårare att ta sig ur dem då elfältet är stort. Då kan elektronernas medelhastighet och därmed strömmen i materialet minska med ökande elfält. Elektrisk växelverkan mellan elektronerna kan också leda till samma beteende, genom en så kallad coulombblockad. En coulombblockad kan uppstå om antalet ledningselektroner i materialet ökar med ökande spänning. Elektronerna repellerar varandra och ett större antal elektroner kan leda till att transporten blir långsammare, d.v.s. att strömmen minskar.

Electrochemical and spectroelectrochemical characterization of alkylated and thiolated polyanilines

Vi omges i vardagen av alla sorters plaster, som kemiskt kallas för polymerer. Vi anknyter dem oftast till vardagliga föremål såsom muggar, leksaker eller platskassar. Det finns dock en särklass av polymerer som fås elektriskt ledande genom en så kallad dopningsprocess. Dopning innebär i detta fall oxidation eller reduktion av konjugerade dubbelbindningar i polymerstrukturen. Detta har lett till utveckling av elektriska apparater där dyra, och i vissa fall även sällsynta, metall och halvledarmaterial ersätts genom av elektriskt ledande polymerer (plaster). Utöver elektronisk ledningsförmåga uppvisar dessa polymerer också jonisk ledningsförmåga. Denna kombination av unika egenskaper möjliggör skapandet av t.ex. nya sensormaterial som kan överföra kemisk information till en mätbar elektronisk signal. Detta öppnar i sin tur möjligheter att göra snabba, billiga och känsliga sensorer för bl.a. mediciniska analyser. I denna avhandling karakteriserades elektrokemiskt och spektroelektrokemiskt N- och ring-substituerade polyanilinfilmer. Polyanilin (PANI) hör till de mest studerade elektriskt ledande polymererna. Den är stabil och lätt att framställa. Substituerade polyaniliner har ändå studerats måttligt, mest p.g.a. att substituerade PANIs ledningsförmåga är lägre än PANIs och deras framställning kan vara svår. De nya grupperna i PANI-kedjan ger dock en möjlighet att binda ytterligare molekyler av intresse till PANI-kedjan, som t.ex. jonselektiva grupper. Kovalent bundna selektiva molekyler ger upphov till stabila, känsliga och selektiva sensormaterial. Karakteriseringen av de studerade polymerer är viktig för den fundamentala förståelsen av deras unika egenskaper och för utvecklingen av framtidens sensormaterial. -------------------------------------- Käytämme joka päivä monenlaisia muoveja, joita kutsutaan kemiassa myös polymeereiksi. Olemme tottuneet yhdistämään muovit arkisiin esineisiin kuten mukeihin, leluihin tai muovikasseihin. On kuitenkin olemassa erityisiä polymeerejä, jotka voidaan saada sähköä johtaviksi hapetus- ja pelkistysreaktioiden avulla. Tästä johtuen on kehitteillä sähköisiä laitteita, joissa kalliit ja jossain tapauksissa myös harvinaisia metalleja sisältävät osat ja puolijohteet voidaan korvata johdepolymeereillä (eli muoveilla). Sähkönjohtavuuden lisäksi johdepolymeereillä on myös ionijohtavuutta. Näiden erityislaatuisten ominaisuuksien yhdistelmä on mahdollistanut mm. sensorimateriaalin kehittämisen, sillä kemiallinen tieto voidaan kääntää mitattavaksi sähköiseksi signaaliksi. Tämä taas omalta osaltaan mahdollistaisi nopeiden, halpojen ja herkkien sensorien valmistuksen, mm. diagnostiikkaan. Tässä väitöksessä on tutkittu sähkökemiallisesti valmistettuja N- ja rengassubstituoituja polyaniliinikalvoja. Polyaniliini (PANI) on yksi eniten tutkituista johdepolymeereistä. Se on stabiili ja helppo valmistaa. Substituoidut polyaniliinit ovat herättäneet vain kohtalaista tieteellistä kiinnostusta, lähinnä, koska niiden sähköinen johdekyky on alhaisempi kuin PANIn. Myös niiden valmistus voi olla vaikeaa. Substituoidut molekyylit PANI-ketjussa mahdollistavat kuitenkin, että niihin voi liittää uusia molekyylejä, esim. ioniherkkiä ryhmiä. Kovalentisti sitoutuneilla selektiivisillä molekyyleillä saadaan tehtyä stabiileja, herkkiä ja selektiivisiä sensorimateriaaleja. Väitöksessä käytettyjen polymeerien karakterisointi on tärkeää, jotta niiden erityisominaisuuksia pystyttäisiin ymmärtämään paremmin ja myös kehittämään sopivia tulevaisuuden sensorimateriaaleja.