İnce film süperkapasitörün üretimi ve dielektrik karakterizasyonu
Production and dielectric characterization of thin film supercapacitor
Yazar: DENİZ BOZOĞLU PARTO
Danışman: PROF. DR. DENİZ ULUTAŞ ; PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Genel Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Aktivasyon enerjisi = Activation energy ; Dielektrik davranışı = Dielectric behavior ; Dielektrik sabiti = Dielectric constant ; Dielektrik ölçümler = Dielectric measurements ; Dielektrik özellikler = Dielectric properties ; Dielektrikler = Dielectrics ; Elektronik enerji kaybı = Electronic energy loss ; Polimerler = Polymers ; Süperkapasitör = Supercapacitor

Özet:
Polimer ve polimerik tabanlı ince filmler, kontrol edilebilen karakteristik özelliklerinin olması enerji depolama sistemlerinde verimliliğinin ve güvenirliğinin arttırılması için önemli bir adaylardır. Ayrıca, külçe polimer yapıların fiziksel modifikasyonlarıyla elde edilen ince film polimerik filmlerin birçok uygulamaya uygun şekilde uyarlanabilmesiyle günümüzde mikro boyuttan nano boyuta kadar geniş bir aralıkta elektronik bileşenlerin üretimi, geliştirilmesi ve kullanıma sunulmasında anahtar rol oynamaktadır. Bu kapsamda, külçe ve ince film polimerlerin moleküler dinamiklerinin daha iyi anlaşılması mekanik esnekliklik, yüksek dielektrik dayanıklılık, kırılma toleransı, kolay işlenebilirlik gibi özelliklerinin geliştirilmesini sağlamaktadır. 
Bu amaçla, ağırlıkları sırasıyla 1500, 3000, 4000, 8000, 20000, 35000 ve 900000 g/mol olan 6 (altı) Polietilen oksit külçe örneklerinden termal buharlaştırma yöntemiyle Polietilen oksit ince filmler üretilmiştir. Yapısal özellikleri belirlemek, fonksiyonel grupları tanımlamak ve bu gruplar hakkında daha ayrıntılı bilgi elde etmek için külçe ve ince film örnekleri Fourier Transform Infrared Spektroskopisi ile incelenmiştir. Örneklerin dielektrik özellikleri molekül ağırlığa bağlı, değişken alan altında geniş frekans (0,1Hz-10MHz) ve sıcaklık (-60–60℃) aralığında Alpha-A High Resolution Dielectric, Conductivity and Impedance Spektroskopi ile çalışılmıştır. Külçe ve ince film formunda örneklerin zincir uzunluğuna ve yapısına bağlı olarak Cole-Cole denklemi yardımıyla yapıya ait birincil (α-relaksasyonu) ve ikincil relaksasyon (β, γ- relaksasyonları) süreçleri belirlenerek karşılaştırılmıştır. Camsı özellik gösteren yapılarda ve polimerde önemli bir parametre olan ve yapı içerisindeki segmental zincir hareketine karşılık gelen α- relaksasyon için relaksasyon zamanlarının sıcaklığa bağlı davranışı Vogel-Fulcher-Tamman denklemi ile fit edilerek Vogel sıcaklığı ve kırılganlığın bir ölçüsü olan düktil parametreleri belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, külçe ve ince filmler için kendi aralarında moleküler ağırlığa bağlı olarak incelenmiş ve birbirileri ile karşılaştırılmıştır. Buna ek olarak, polimerler için yapı-özellik ilişkilerini kurarken serbest hacmin önemli bir faktördür. Külçe ve ince film örnekler için camsı geçiş sıcaklığı, düktil ve dielektrik özellikler arasındaki ilişkinin kurulabilmesi için serbest hacim kesri Dolittle modeline göre belirlenmiştir.  Ayrıca, dielektrik spektroskopi sonuçlarından faydalanarak X-ray saçılması, fotokromatik spektoskopi gibi yöntemlerle belirlenebilen serbest hacim kesrinin dielektrik spektroskopi sonuçlarından faydalanılarak hesaplanarak karşılaştırabilir olması alternatif bir yöntem olarak bu çalışmada sunulmaktadır. 
Son olarak tüm örnekler için alternatif iletkenliği sıcaklığa bağlı davranışa incelenerek, yapı içerisindeki iletkenlik mekanizması belirlenmiştir. Buna bağlı olarak, tespit edilen iletkenlik bölgeleri için aktivasyon enerjileri hesaplanmıştır.
Böylece, külçe ve ince film Polietilen oksit örnekler için moleküler ağırlığa bağlı oalrak dielektrik sabiti, aktivasyon enerjileri ve serbest hacim kesir sonuçlarının kendi aralarında uyumlu ve birbirini desteklediği görülmüştür. Dielektrik sabitinin külçe örneklere göre yüksek olduğu belirlenen PEO ince filmlerin biyouyumlu, organik ince film kaplamalar ve süperkapasitörlerde üretime aday gösterilebileceği bildirilmiştir.

Abstract:
Thin film polymer and polymeric based materials have controllable characteristics, making them an essential candidate for increasing the efficiency and reliability of energy storage systems. In addition, thin film polymeric films obtained by physical modifications of bulk polymer structures can be adapted to many applications and today play a vital role in the production, development and use of electronic components in a wide range from micro to nano size. In this context, a better understanding of the molecular dynamics of bulk and thin film polymers enables the development of mechanical flexibility, high dielectric strength, fracture tolerance and easy processability.
For this purpose, Polyethylene oxide thin films were produced by thermal evaporation method from 6 (six) Polyethylene oxide bulk samples with weights of 1500, 3000, 4000, 8000, 20000, 35000 and 900000 g/mol, respectively. Bulk and thin film samples were examined with Fourier Transform Infrared Spectroscopy to determine structural features, define functional groups and obtain more detailed information about these groups. The dielectric properties of the samples were studied with Alpha-A High-Resolution Dielectric, Conductivity and Impedance Spectroscopy, depending on the molecular weight, under a variable field in a wide frequency (0.1Hz-10MHz) and temperature range (-60–60℃). Depending on the chain length and structure of the samples in bulk and thin film form, the primary (α-relaxation) and secondary relaxation (β, γ-relaxations) processes of the structure were determined and compared with the help of the Cole-Cole equation. For α-relaxation, which is an important parameter in glassy structures and polymers and corresponds to segmental chain movement within the structure, the temperature-dependent behavior of relaxation times was fitted with the Vogel-Fulcher-Tamman equation, and Vogel temperature and ductility parameters, which are a measure of brittleness, were determined. The results were examined and compared based on molecular weight for bulk and thin films. In addition, free volume is an important factor when establishing structure-property relationships for polymers. The free volume fraction was determined according to the Dolittle model to develop the relationship between glass transition temperature, ductility and dielectric properties for bulk and thin film samples. In addition, the calculation and comparison of the free volume fraction, which can be determined by methods such as X-ray scattering and photochromatic spectroscopy using dielectric spectroscopy results, is presented in this study as an alternative method.
Finally, the conductivity mechanism within the structure was determined by examining the temperature-dependent behavior of the alternative conductivity for all samples. Accordingly, activation energies were calculated for the detected conductivity regions.
Thus, it has been observed that the dielectric constant, activation energies, and free volume fraction results, depending on the molecular weight of bulk and thin-film polyethylene oxide samples, are compatible and support each other. It has been reported that PEO thin films, whose dielectric constant is higher than bulk samples, can be nominated for the production of biocompatible, organic thin-film coatings and supercapacitors.