Institutionen för teknikvetenskaper

Material för energieffektivitet och miljöapplikationer

Temat för forskargruppen “Material för energieffektivitet och miljötillämpningar” är studier av funktionella material i den byggda miljön, speciellt grön nanoteknologi för hållbara byggnader.  Vi fokuserar på nästa generations funktionella oxidbeläggningar med användning i kromogena (elektrokroma och termokroma) smarta fönster, som sensorer samt i fotokatalys, belysning och andra tillämpningar. Vi studerar också nya multilager och nanostrukturerade oxider för kontroll av solenergi och synligt ljus, vilka kombinerar kromogena, fotokatalytiska och sensor egenskaper.

Vi adresserar dessa frågor genom att kombinera olika metoder som tunnfilmsdeponering, experimentella studier av elektromagnetiska och ytkemiska och elektrokemiska egenskaper hos materialen, samt formulering av beräkningsmodeller.

Pågående forskning inom området

Ta del av våra publikationer

Ytbeläggningar för smarta fönster

Smarta fönster gör det möjligt att reglera mängden synligt ljus och solenergi som går igenom dem och kan åstadkomma energieffektivitet i byggnader samtidigt som inomhuskomforten ökar. Vi arbetar med två varianter: elektrokroma (EC) material och anordningar, vilka tillåter elektrisk reglering, och termokroma (TC) material som skiftar sin genomskinlighet då temperaturen ändras.

Elektrokroma anordningar kan konstrueras på det sätt som figuren nedan visar. En typisk konstruktion använder två tunna ytbeläggningar (”filmer”) av EC-material, vilka förbinds av ett skikt av en elektrolyt. Då en elektrisk spänning läggs på mellan två transparenta elektriska ledare kommer joner och elektroner att transporteras mellan EC-filmerna, och om de exempelvis består av wolframoxid och nickeloxid så kommer genomskinligheten att ändras på det sätt som anges. Hela konstruktionen kan baseras på flexibla plastfolier (som framgår överst i vänstra delfiguren) och användas för att laminera fönsterglas. Den tredje figuren nedan visar fullskaliga EC-fönster i mörkt och ljust tillstånd; dessa fönster har tillverkats av ChromoGenics AB, ett uppsalabaserat företag som knoppats av från vår forskning. 

Konstruktionsprincip för ett elektrokromt "smart fönster"
Konstruktionsprincip för ett typiskt elektrokromt “smart fönster” baserat på folie och dess användning för glaslaminering.
Modulation of genomskinligheten hos elektrokromt fönster
Variation av genomskinligheten hos ett EC-fönster av den typ som visas ovan.
Demonstration av elektrokroma fönster
Fullskaliga elektrokroma fönsterprototyper installerade hos det uppsalabaserade företaget ChromoGenics AB.

Termokroma material kan bestå av tunna filmer eller nanopartiklar, i båda fallen baserade på vanadindioxid. TC-material förändrar sina optiska och elektriska egenskaper i närheten av rumstemperatur. Figuren nedan visar schematiska data på våglängdsberoende transmittans (genomskinlighet) och reflektans. Egenskaperna är mycket olika vid rumstemperatur (då materialet är halvledande) och vid högre temperatur (då materialet är metalliskt). Denna materialtyp kan användas i energieffektiva fönster som kombinerar god genomskinlighet med stor temperatur-beroende variation av solenergiinsläpp, vilket framgår av figuren.

Modulering av de optiska egenskaperna hos en termokrom film
Våglängdsberoende genomskinlighet och reflektans hos VO2-baserade termokroma tunna filmer och nanopartiklar.
Olika meteoder att modifiera de optiska egenskaperna hos en termokrom film
Förhållandet mellan genomskinlighet för synligt ljus (Tlum) och temperaturberoende modulation av genomsläppet av solenergi (ΔTsol).

Det övergripande syftet med vår verksamhet är att utveckla förbättrade EC- och TC-material och att tillverka förbättrade EC-anordningar (vilket betyder att även elektrolyter och genomskinliga elektriska ledare är av intresse). Många olika aspekter är relevanta, exempelvis tunnfilmsdeponering med fysikaliska och (elektro)kemiska tekniker, optiska mätningar samt utveckling och test av tekniska anordningar. Vi håller på med både experiment och teori/datorberäkningar. Forskningen har utvecklats under många år och har hög profil internationellt.

Referenser:
G.B. Smith and C.G. Granqvist, Green Nanotechnology: Solutions for Sustainability and Energy in the Built Environment, CRC Press, Boca Raton, USA.
G.A. Niklasson and C.G. Granqvist, J. Mater. Chem. 17 (2007) 127.
C.G. Granqvist, Thin Solid Films 564, 1 (2014).
S.-Y. Li, G.A. Niklasson, and C.G. Granqvist, J. Appl. Phys. 115 (2014) 053513.

Överst på sidan

Optiska material för energitillämpningar

Optiska egenskaper hos tunna filmer, nanopartiklar och kompositer ingår som en viktig del i många av våra tillämpade projekt om energieffektivitet och miljörelaterade tillämpningar. I synnerhet gäller att många material för tillämpningar i energieffektiva byggnader och solenergianvändning utnyttjar funktionella optiska egenskaper. Grundläggande studier av materialen behövs för att förstå och förbättra de optiska egenskaperna hos dessa material. Vi har ett förstklassigt optiskt mätlaboratorium med spektrofotometrar för ultraviolett, synligt och infrarött ljus, en spektroskopisk ellipsometer samt fotoluminescens-utrustning för mätningar till låga temperaturer. Instrumenten gör det möjligt att mäta spektral och vinkelupplöst ljusspridning och innefattar flera detektorer av typen integrerande sfär. Vi deltar i internationella samarbetsprojekt med syftet att utveckla förbättrade mätmetoder för precisionsbestämning av optiska egenskaper. Dessutom har vi stor erfarenhet av att analysera optiska egenskaper hos tunna filmer och nanopartiklar, innefattande egen utveckling av mjukvara.

Ett antal aktuella projekt inom detta breda område sammanfattas nedan.

(1)  Solfångare för varmvattenproduktion eller lokaluppvärmning behöver ytbeläggningar med hög solabsorption, samtidigt som deras utstrålning av värme måste vara låg. Dessa beläggningar kallas spektralt selektiva. Den för närvarande mest populära typen består av kompositmaterial med metalliska nano-partiklar i dielektriska media. Detaljerad förståelse av dessa materials optiska egenskaper är viktig för att (a) optimera solabsorptionen och den termiska emittansen via beräkningar och (b) etablera vilka sammansättningsmässiga och strukturella ändringar som under högtemperaturbehandling leder till degradering av de optiska egenskaperna och därigenom begränsar ytbeläggningarnas egenskaper. En annan intressant frågeställning gäller färgade solfångarytor som kan integreras med modern arkitektur. Figuren nedan visar några exempel på optiska reflektansspektra för färgade ytor.

Spektral reflektans för TiAlOxNy film

Spektral reflektans för TiAlON film
Spektral reflektans för TiAlOxNy-filmer tillverkade genom sputterdeponering på Al. De visade färgerna erhölls genom att välja filmtjocklekar som gav reflektansmaxima inom det synliga vågländsområdet.

(2)  Ljusspridning bör undvikas i exempelvis ytbeläggningar på fönsterglas men kan i andra sammanhang addera funktionalitet till ett material eller en tunn film. Under alla omständigheter är det viktigt att kunna karaktärisera och förstå fenomenet. Vi studerar framför allt ljusspridning från små partiklar och inhomogena material. Några exempel av aktuellt intresse gäller färger för solfångare och ”kalla tak”, ljusdiffusorer för energieffektiv belysning samt material som kan växla mellan transparent och ljusspridande tillstånd. Ljusspridning kan också ge upphov till vackra ljuseffekter, vilket visas nedanför.

Spridning av laserljus från en strukturerad yta
Spridning av laserljus från ytstrukturerat glas.

 (3) Vi har även några projekt inom det högaktuella området plasmonik. Mycket tunna och halvgenomskinliga guldfilmer kan användas som konakter för displayer och elektrokroma anordningar. Metalliska nano-partiklar kan ge upphov till en kraftig förstärkning av elektriska fält, vilket kan vara fördelaktigt exempelvis för fotokatalys. Tunna guldfilmer kan uppvisa olika morfologier, vilket framgår av bilden nedan.

Morfologi hos tunna guldfilmer med olika tjocklek
Morfologi hos tunna guldfilmer deponerade på SnO2:In-belagt glas till en masstjocklek av 5 nm genom sputterbeläggning (a) på ytor med olika temperatur och (b) efter värmebehandling vid olika temperaturer.

Referenser:
E. Wäckelgård, G.A. Niklasson and C.G. Granqvist: Selectively solar-absorbing coatings, in Solar Energy: The State of the Art. ISES Position Papers, edited by J. Gordon (James & James, London, 2001), Ch. 3, pp. 109-144.
P.C. Lansåker, P. Petersson, G.A. Niklasson and C.G. Granqvist, Solar Energy Mater. Solar Cells 117 (2013) 462.

Överst på sidan

Halvledarsensorer för inomhusmiljö och hälsa

Solid-state-sensorer krävs för att registrera kvalitet hos inomhusluft och är även av ökande intresse för medicinsk forskning och diagnostik. Vi forskar på elektriska och optiska gassensorer bestående av nano-strukturerade metalloxider och funktionaliserade diamantfilmer.

Resistiva gassensorer innehåller svagt kopplade nanokristaller mellan elektriska kontakter på ett substrat som normalt är värmt. Gasmolekyler kan växelverka med halvledarytor och ändra ytornas elektriska ledningsförmåga, vilket visas nedan. Noggrann kontroll av nanostrukturen krävs för att gå bortom dagens teknik och uppnå hör känslighet vid låg temperatur och samtidigt ha låg tidsberoende drift av resistansen. Vår forskning har visat att nano-porösa metalloxidbaserade filmer kan skräddarsys så att de kan detektera oxiderande och reducerande gaser med hög specificitet för koncentrationer ned till ppb-området. Figuren visar ett exempel på en gassensors egenskaper.

Arbetsprincip för en tunnfilms baserad gassensor
Principerna för hur en resistiv gassensor fungerar.
Känsligheten hos en WO3 baserad gassensor
Känsligheten hor en WO3-baserad gassensor exponerad för H2S-gas.

Infraröd-känsliga sensorer är idealiska för att identifiera okända molekyler och baserar sin funktion på molekylens vibrationsspecifika ”fingeravtryck”. Man kan utnyttja ”evanescenta” elektromagnetiska fält i diamantbaserade material som åstadkommer intern reflektion i speciella ljusledare. Ännu mer avancerade sensorer baseras på vågledare belagda med nano-kristallin diamant som funktionaliserats för selektiv absorption av specifika molekyler så att signal–brusförhållandet optimerats. Bredbandiga kvantum-kaskadlaserkällor som optiskt kopplats till diamantbaserade vågledarchips han användas för ultra-känslig ”evanescent” infrarödspektroskopi, vilket illustreras nedan.

Diamantbaserad vågledare
Ovan: Infraröd-laserintensitet genom en diamantbaserad ljusledare som funktion av skanning-avståndet vinkelrätt mot vågutbredningsaxeln. Nedan: Illustration av ett diamant-vågledarchip bestående av sex vågledare, alla med samma tjocklek men med olika bredd.

Inom ett projekt studerar vi nya material för resistiva gassensorer (t.ex. WO3, NiO och andra oxider) som kan detektera föroreningar i inomhusluft vid temperaturer runt rumstemperatur. Vårt mål är att åstadkomma bättre förståelse för relationen mellan nanostruktur, tillståndet hos olika gränsytor och de elektriska egenskaperna. Vi utvecklar också elektriska analystekniker för att särskilja olika gaser, exempelvis med hjälp av brus-spektroskopi eller impedans-spektroskopi. Dessa spektrala tekniker kan ge möjligheter att detektera multipla gaser med samma sensor. Vi undersöker även hur olika funktionaliteter kan integreras i samma sensor och exempelvis kombinera fotokatalys med elektrisk ledningsförmåga hos ljuskänsliga material.

Ett annat projekt undersöker infraröd-känsliga sensorer med syftet att utveckla miniatyriserade sensorchips som kan funktionaliseras för att selektivt binda specifika molekyler i konfigurationer för multivariat analys av olika gasblandningar. Vidare intresserar vi oss för proteinstrukturer som kan relateras till neurodenerativa sjukdomar. Vår intention är att utnyttja den kombinerade effekten av intrinsisk känslighet och selektivitet i en infraröd-sensitiv sensor (som är mycket känsligare än de internreflektions-beroende element som används i konventionell infraröd-spektroskopisk teknik) tillsammans med det låga bakgrundsbruset hos ”evanescenta” vågor.

Referenser:
R. Ionescu et al., Sensors Actuators B: Chem. 104 (2005) 132.
C. Luyo et al., Sensors Actuators B: Chem. 138 (2009) 14.
L. Österlund et al., EP 2271914.

Överst på sidan

Fotokatalytiska och självrengörande material

Halvledarbaserad fotokatalys är ett brett forskningsområde som är av central betydelse för miljömässigt hållbara tekniker som luft- och vattenrening, solenergibaserad vätgasproduktion, ”våta” solceller, samt självrengörande och antibakteriella ytbeläggningar. Vi forskar på nya material och strukturer för förbättrad omvandling av solljus till kemisk energi samt på funktionella ytegenskaper, exempelvis kontrollerad vätning.

Fotoniska bandgapsmaterial är fotonikens motsvariget till halvledare där fotoner, istället för elektroner, är kan uppvisa förbjudna band. I ett projekt utforskar vi en ny klass av fotokatalytiska material där den halvledarbaserade fotokatalysatorn inkorporeras in en fotonisk bandgapsstruktur som har en invers opal-konfiguration, vilken visas nedan. Här är syftet att anpassa det fotoniska bandgapet till det elektroniska bandgapet hos det fotokatalytiska materialet.

Invers opalstruktur av Al2O3
Invers opalstruktur hos Al2O3 som har “luft-hål” med diametern 160 nm. Det fotokatalytiska materialet är antingen deponerat som nano-partiklar med hög yt-area på Al2O3-strukturens innerväggar, eller som additiva lager som modifierar bandgaps-egenskaperna hos den inversa opalen.

Fotokatalytisk nedbrytning av föroreningar är en lovande och miljömässigt hållbar teknik för luft- och vattenrening. Genom att utnyttja antingen solljus eller artificiellt ljus i inomhusmiljö så är det möjligt att avlägsna farliga kemiska föreningar på ett sätt som bara ger vatten, koldioxid och små mängder mineralsyra som restprodukter. Vi forskar på nya sätt att utnyttja fotokatalytiska material (exempelvis dopad TiO2, WO3 och Fe2O3) i inomhusmiljö—antingen som tunna filmer, fotoniska bandgapsstrukturer, multilagerfilmer med synergi mellan ultraviolett-absorption (för fotokatalys) och infraröd-absorption (för värme), samt nanoporösa ytbeläggningar. En ny fönster-baserad konstruktion visas nedan. Vi tillverkar material och karaktäriserar deras fysikaliska och kemiska egenskaper inom ramen för flera projekt. Olika typer av in situ vibrationsspektroskopi används för att analysera de fotokatalytiska materialens reaktionskinetik, och inom en rad projekt jämför vi dessa resultat med DFT-beräkningar, vilket visas nedan. Vi studerar både nanoporösa material och enkristaller; vi gör studier i ultrahögvakuum och hela vägen till höga gastryck; temperaturmässigt går vi från flytande kväve till flera hundra grader Celsius; och vi studerar material med och utan ljusbestrålning.

Principskiss för ett fotokatalytiskt fönster för att rena inomhusluft
Fotokatalytisk nedbrytning av farliga föroreningar i inomhusmiljön med hjälp av ett fotokatalytiskt fönster.

Fotokatalytisk nedbrytning av acetaldehyd

Modellerad absorption och reaktionskinetik för acetaldehyd på TiO2

Ytor med avancerade vätningsegenskaper har ökande betydelse för hygieniska, lättrengjorda, antibakteriella och estetiska ytor. Man särskiljer två huvudinriktningar: En av dessa syftar till super-hydrofoba egenskaper så att vatten och smuts inte fastnar, eller kan avlägsnas i regn genom att små vattendroppar rullar av från ytan. Vid en annan inriktning görs ytorna medvetet super-hydrofila så att en vattenfilm bildas på ytan, viken möjliggör att föroreningen enkelt flyter bort. Vi har utvecklat metoder för att kemiskt förändra syra–bas-egenskaperna hos fotokatakytiska oxidmaterial och visat att SO2-modifierad TiO2 har unika oleofoba (oljeavstötande) egenskaper som exempelvis förhindrar att fettsyror i mänskliga fingeravtryck fastnar på sådana oxidytor, vilket illustreras nedan.

Jämförelse av mängden stearingsyra på en SO2 modifierad yta
Jämförelse av mängden adsorberad stearinsyra (en fettsyra) på en SO2-modifierad TiO2-film (flera på varandra följande adsorptionscykler) och på en ren TiO2-film. Ingen stearinsyra fastnar på den SO2-modifierade ytan.

Referenser:
A. Mattsson et al., J. Chem. Phys. 140 (2014) 034705.
Z. Topalian et al., J. Catal. 307 (2013) 265-274.
L. Österlund, Solid State Phenom. 162 (2010) 203-219.
Z. Topalian et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 4 (2012) 672.

Överst på sidan

Elektrokemi och elektronstruktur

Elektronstukturen hos fasta ämnen är en grundbult för att förstå deras optiska och elektriska egenskaper. Denna struktur är högst relevant för flera av våra tillämpade projekt, speciellt de som gäller elektrokroma, termokroma och fotokatalytiska material. Vi har tidigare utvecklat nya metoder för att bestämma den elektroniska tillståndstätheten hos amorfa och nano-kristallina oxidmaterial, och för detta ändamål kan man använda ett antal elektrokemiska mättekniker, exempelvis kronopotentiometri, impedansspektroskopi och fotoelektrokemisk spektroskopi, samt fotoelektron- och vibrationsspektroskopiska metoder.

Den elektroniska tillståndstätheten (DOS) hos övergångsmetalloxider ligger i fokus för vårt intresse eftersom den bestämmer de optiska- och transport-egenskaperna. Oordningeffekter på elektronstrukturen, och huruvida tillstånden är lokaliserade eller inte, är viktigt. Yttillstånd och lokaliserade bandgapstillstånd i bulk-material är av potentiell betydelse för gasdetektion och för fotokatalys. Den aktuella forskningen inriktas på oxidmaterial som är relevanta för tillämpningar i transparenta elektriska ledare samt för elektrokroma, termokroma och fotokatalytiska tunna filmer. Figuren nedan visar elektrokemiskt bestämd DOS för en elektrokrom WO3-beläggning och jämför denna med teoretiska data.

Expermintell bestämning av DOS på WO3 film
Elektrokemiskt bestämd DOS för en amorf WO3-film jämförs med beräkningar baserade på DFT.

I ett projekt undersöker vi fördelarna och begränsningarna hos den elektrokemiska tekniken för att studera elektronisk tillståndstäthet i oxider. Denna tillståndstäthet jämförs med elektronstrukturbestämningar. Ytterligare information om tillståndstätheten kan erhållas genom synkrotronljus-baserade mätningar av Röntgenabsorption och -emission.

Referens:
M. Strömme, R. Ahuja and G.A. Niklasson, Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 206403.

Överst på sidan