Frequency optimisation for DC/DC converters in DC-connected offshore wind turbines

In all-DC wind farms, DC/DC converters connect the low voltage wind turbine output to the high voltage DC array. One potential benefit of using DC/DC converters is that they require a relatively small transformer due to their higher frequency operation. However, there is no consensus as to what this frequency should be. This paper aims to determine the optimal operating frequency for DC/DC converters in 15 MW wind turbines connected to an 80 kV DC array. A multi-objective optimisation is performed taking into account the DC/DC converter volume, weight and losses. Frequencies ranging from 500 Hz to 5 kHz were tested for unidirectional, bidirectional, single-phase and three-phase converters. The optimal frequencies for unidirectional and bidirectional converters were found to be approximately 2 kHz and 1 kHz, respectively

A systematic review of DC wind farm collector cost-effectiveness

DC collection systems have been suggested to improve the cost-effectiveness of offshore wind farms but no consensus currently exists on which configurations are the most promising. This paper aims to determine the primary DC wind farm candidates for commercialisation based on cost-effectiveness and technological risk. A systematic review was performed of the literature that formally assesses the cost, losses or reliability of DC wind farm configurations. The optimal configurations were found to be dependent on the methodology and assumptions used by each study, as well as the individual wind farm characteristics. Series and series-parallel DC designs without offshore platform performed well in terms of costs, but have challenges in operation and reliability that limit the short-term opportunity for commercialisation. The standard DC parallel topology has the lowest technological risk, but the mean cost reported in the literature is similar to that of AC topologies. Standard parallel DC wind farms are the primary candidate for the first commercial DC wind farm demonstrators, but the optimal design will likely need to be determined on a case-by-case basis. Guidelines for this assessment are provided

Review and comparison of single and dual active bridge converters for MVDC-connected wind turbines

A key component for all-DC wind farms is the DC/DC converter. The converter must have multi-megawatt power capability, a high step-up ratio, provide galvanic isolation, and operate efficiently while being able to fit in the wind turbine nacelle. The single active bridge (SAB) and dual active bridge (DAB) converters in standalone or cascaded configuration are promising topologies that have the potential to meet these requirements. This paper reviews the operation and control of these converters, and compares their volume, weight, and efficiency for a 15 MW wind turbine with 80 kV DC connection. The results show that the standalone topologies are significantly smaller and lighter than their cascaded counterparts. However, all topologies fit inside the wind turbine nacelle. The SAB designs are the most efficient and robust, as they use diodes in the output bridge. The DAB topologies have the advantage of bidirectional power flow at the cost of additional switches and losses. The standalone DAB requires series-connected switches in the output bridge, which may difficult to implement. The cascaded topologies offer higher reliability without significantly increasing losses, making them the most attractive option for future DC wind turbines

Dispositifs électroniques bi-dimensionnels fabriqués à partir de MAX-enes

The isolation of graphene using mechanical exfoliation indicated that layered structure bulk materials with weak layer-to-layer bonds can be transformed to their 2D derivates with such a simple technique. To date, mechanical exfoliation has been successfully applied to various lamellar materials with van der Waals inter-layer bonding, such as hexagonal boron nitride (h-BN) and transition metal dichalcogenides (TMDC).Another class of lamellar compounds named MAX phases, where M is an early transition metal, A belongs to group 13-16 of the periodic table and X is C or N, has globally aroused interest owing to a particular combination of ceramic and metal properties. Their layered structure displays stronger inter-layer (metallic) bonds than van der Waals and since 2011, when the first 2D counterparts, named MXenes, were produced by chemically etching of the parent MAX phases, no other delamination technique has been applied so far.In this thesis we introduce a new way to delaminate MAX phases down to the ultimate thinness, via mechanical exfoliation. While such a process has been initially developed for van der Waals layered compounds, the strong inter-layer bonds in MAX phases seems unfavorable a priori. Our study was focused on Cr2AlC, V2AlC, Ti2SnC MAX phases and the Mo4Ce4Al7C3 phase, for which we demonstrated that modifications to the transfer recipe known for graphite/graphene lead to remarkable results : flakes with large lateral dimensions and homogeneous thickness down to monolayer could be isolated. The isolation of few-monolayers thick flakes on SiO2/Si substrates paved the way for their surface and electrical properties characterization. Besides, Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Tunneling Microscopy (STM) measurements of the surface of cleaved Cr2AlC single crystals in ultra-high vacuum conditions revealed that clusters of Al atoms remain on the cleaved surface. Electrostatic Force and Kelvin Probe Force Microscopies (EFM and KPFM) provide clear evidence that flakes are metallic down to monolayer thickness. The same conclusion is deduced both from resistivity measurements as a function of temperature and I-V curves.Finally, a kinetics study of MAX-to-MXene conversion based on the HF etching of a well-defined structure comprised of square-size V2AlC pillars indicated that HF penetration takes place at facets perpendicular to the basal planes of the single crystal.L'isolation du graphène par exfoliation mécanique a montré que les matériaux massifs nano-lamellaires liés par de faibles liaisons inter-plans peuvent être convertis en leurs dérivés bidimensionnels par une technique simple. À ce jour, l'exfoliation mécanique a été appliquée avec succès à divers matériaux lamellaires avec des interactions inter-plans de type van der Waals, tels que le nitrure de bore hexagonal (h-BN) et les di-chalcogénures de métaux de transition (TMDC).Une autre classe de composés nano-lamellaires appelés phases MAX, où M est un métal de transition des premières colonnes, A appartient aux colonnes 13-16 du tableau périodique et X est C ou N, a suscité un intérêt général car ils combinent des propriétés intéressantes mais ordinairement rattachées soit aux seules céramiques, soit aux seuls métaux. Leur structure se caractérise néanmoins par des liaisons inter-plans (métalliques) plus fortes que des interactions de type van der Waals. Depuis 2011, date à laquelle les premiers matériaux 2D dérivés, appelés MXenes, ont été produits par gravure chimique à partir des composés MAX précurseurs, aucune autre technique d’exfoliation n'avait été démontrée.Dans cette thèse, nous présentons une méthode d’exfoliation mécanique des phases MAX, jusqu'à des épaisseurs de quelques couches atomiques. Alors qu'un tel procédé a été initialement développé pour les composés de type van der Waals, les fortes liaisons inter-plans dans les phases MAX sont a priori défavorables. Notre étude s'est focalisée sur les phases Cr2AlC, V2AlC, Ti2SnC et la phase Mo4Ce4Al7C3, pour lesquelles nous avons démontré que des adaptations du procédé développé pour la conversion graphite/graphène conduisent à des résultats remarquables : des feuillets de grandes dimensions latérales et d'épaisseur homogène jusqu'à quelques couches atomiques ont pu être isolés. L'isolation de feuillets épais de quelques monocouches sur des substrats SiO2/Si a permis la caractérisation de leur surface et de leurs propriétés électriques. En outre, des mesures par microscopie à force atomique (AFM) et par microscopie à effet tunnel (STM) de la surface de monocristaux de Cr2AlC clivés dans des conditions d’ultra-vide révèlent que des groupes d'atomes Al se forment sur la surface clivée. Les microscopies à force électrostatique et à sonde Kelvin (EFM et KPFM) fournissent la preuve que les feuillets sont métalliques jusqu'à l'épaisseur d'une demi-maille de la structure initiale. La même conclusion est tirée de mesures de résistivité en fonction de la température et des courbes courant–tension.Enfin, une étude cinétique de la conversion de phase MAX en MXene, basée sur la gravure par acide fluorhydrique (HF) d'une structure bien définie et composée de piliers monocristallins de V2AlC, montre que la pénétration de HF a lieu au niveau des facettes perpendiculaires aux plans ab du monocristal

Dispositifs électroniques bi-dimensionnels fabriqués à partir de MAX-enes

The isolation of graphene using mechanical exfoliation indicated that layered structure bulk materials with weak layer-to-layer bonds can be transformed to their 2D derivates with such a simple technique. To date, mechanical exfoliation has been successfully applied to various lamellar materials with van der Waals inter-layer bonding, such as hexagonal boron nitride (h-BN) and transition metal dichalcogenides (TMDC).Another class of lamellar compounds named MAX phases, where M is an early transition metal, A belongs to group 13-16 of the periodic table and X is C or N, has globally aroused interest owing to a particular combination of ceramic and metal properties. Their layered structure displays stronger inter-layer (metallic) bonds than van der Waals and since 2011, when the first 2D counterparts, named MXenes, were produced by chemically etching of the parent MAX phases, no other delamination technique has been applied so far.In this thesis we introduce a new way to delaminate MAX phases down to the ultimate thinness, via mechanical exfoliation. While such a process has been initially developed for van der Waals layered compounds, the strong inter-layer bonds in MAX phases seems unfavorable a priori. Our study was focused on Cr2AlC, V2AlC, Ti2SnC MAX phases and the Mo4Ce4Al7C3 phase, for which we demonstrated that modifications to the transfer recipe known for graphite/graphene lead to remarkable results : flakes with large lateral dimensions and homogeneous thickness down to monolayer could be isolated. The isolation of few-monolayers thick flakes on SiO2/Si substrates paved the way for their surface and electrical properties characterization. Besides, Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Tunneling Microscopy (STM) measurements of the surface of cleaved Cr2AlC single crystals in ultra-high vacuum conditions revealed that clusters of Al atoms remain on the cleaved surface. Electrostatic Force and Kelvin Probe Force Microscopies (EFM and KPFM) provide clear evidence that flakes are metallic down to monolayer thickness. The same conclusion is deduced both from resistivity measurements as a function of temperature and I-V curves.Finally, a kinetics study of MAX-to-MXene conversion based on the HF etching of a well-defined structure comprised of square-size V2AlC pillars indicated that HF penetration takes place at facets perpendicular to the basal planes of the single crystal.L'isolation du graphène par exfoliation mécanique a montré que les matériaux massifs nano-lamellaires liés par de faibles liaisons inter-plans peuvent être convertis en leurs dérivés bidimensionnels par une technique simple. À ce jour, l'exfoliation mécanique a été appliquée avec succès à divers matériaux lamellaires avec des interactions inter-plans de type van der Waals, tels que le nitrure de bore hexagonal (h-BN) et les di-chalcogénures de métaux de transition (TMDC).Une autre classe de composés nano-lamellaires appelés phases MAX, où M est un métal de transition des premières colonnes, A appartient aux colonnes 13-16 du tableau périodique et X est C ou N, a suscité un intérêt général car ils combinent des propriétés intéressantes mais ordinairement rattachées soit aux seules céramiques, soit aux seuls métaux. Leur structure se caractérise néanmoins par des liaisons inter-plans (métalliques) plus fortes que des interactions de type van der Waals. Depuis 2011, date à laquelle les premiers matériaux 2D dérivés, appelés MXenes, ont été produits par gravure chimique à partir des composés MAX précurseurs, aucune autre technique d’exfoliation n'avait été démontrée.Dans cette thèse, nous présentons une méthode d’exfoliation mécanique des phases MAX, jusqu'à des épaisseurs de quelques couches atomiques. Alors qu'un tel procédé a été initialement développé pour les composés de type van der Waals, les fortes liaisons inter-plans dans les phases MAX sont a priori défavorables. Notre étude s'est focalisée sur les phases Cr2AlC, V2AlC, Ti2SnC et la phase Mo4Ce4Al7C3, pour lesquelles nous avons démontré que des adaptations du procédé développé pour la conversion graphite/graphène conduisent à des résultats remarquables : des feuillets de grandes dimensions latérales et d'épaisseur homogène jusqu'à quelques couches atomiques ont pu être isolés. L'isolation de feuillets épais de quelques monocouches sur des substrats SiO2/Si a permis la caractérisation de leur surface et de leurs propriétés électriques. En outre, des mesures par microscopie à force atomique (AFM) et par microscopie à effet tunnel (STM) de la surface de monocristaux de Cr2AlC clivés dans des conditions d’ultra-vide révèlent que des groupes d'atomes Al se forment sur la surface clivée. Les microscopies à force électrostatique et à sonde Kelvin (EFM et KPFM) fournissent la preuve que les feuillets sont métalliques jusqu'à l'épaisseur d'une demi-maille de la structure initiale. La même conclusion est tirée de mesures de résistivité en fonction de la température et des courbes courant–tension.Enfin, une étude cinétique de la conversion de phase MAX en MXene, basée sur la gravure par acide fluorhydrique (HF) d'une structure bien définie et composée de piliers monocristallins de V2AlC, montre que la pénétration de HF a lieu au niveau des facettes perpendiculaires aux plans ab du monocristal

Dispositifs électroniques bi-dimensionnels fabriqués à partir de MAX-enes

The isolation of graphene using mechanical exfoliation indicated that layered structure bulk materials with weak layer-to-layer bonds can be transformed to their 2D derivates with such a simple technique. To date, mechanical exfoliation has been successfully applied to various lamellar materials with van der Waals inter-layer bonding, such as hexagonal boron nitride (h-BN) and transition metal dichalcogenides (TMDC).Another class of lamellar compounds named MAX phases, where M is an early transition metal, A belongs to group 13-16 of the periodic table and X is C or N, has globally aroused interest owing to a particular combination of ceramic and metal properties. Their layered structure displays stronger inter-layer (metallic) bonds than van der Waals and since 2011, when the first 2D counterparts, named MXenes, were produced by chemically etching of the parent MAX phases, no other delamination technique has been applied so far.In this thesis we introduce a new way to delaminate MAX phases down to the ultimate thinness, via mechanical exfoliation. While such a process has been initially developed for van der Waals layered compounds, the strong inter-layer bonds in MAX phases seems unfavorable a priori. Our study was focused on Cr2AlC, V2AlC, Ti2SnC MAX phases and the Mo4Ce4Al7C3 phase, for which we demonstrated that modifications to the transfer recipe known for graphite/graphene lead to remarkable results : flakes with large lateral dimensions and homogeneous thickness down to monolayer could be isolated. The isolation of few-monolayers thick flakes on SiO2/Si substrates paved the way for their surface and electrical properties characterization. Besides, Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Tunneling Microscopy (STM) measurements of the surface of cleaved Cr2AlC single crystals in ultra-high vacuum conditions revealed that clusters of Al atoms remain on the cleaved surface. Electrostatic Force and Kelvin Probe Force Microscopies (EFM and KPFM) provide clear evidence that flakes are metallic down to monolayer thickness. The same conclusion is deduced both from resistivity measurements as a function of temperature and I-V curves.Finally, a kinetics study of MAX-to-MXene conversion based on the HF etching of a well-defined structure comprised of square-size V2AlC pillars indicated that HF penetration takes place at facets perpendicular to the basal planes of the single crystal.L'isolation du graphène par exfoliation mécanique a montré que les matériaux massifs nano-lamellaires liés par de faibles liaisons inter-plans peuvent être convertis en leurs dérivés bidimensionnels par une technique simple. À ce jour, l'exfoliation mécanique a été appliquée avec succès à divers matériaux lamellaires avec des interactions inter-plans de type van der Waals, tels que le nitrure de bore hexagonal (h-BN) et les di-chalcogénures de métaux de transition (TMDC).Une autre classe de composés nano-lamellaires appelés phases MAX, où M est un métal de transition des premières colonnes, A appartient aux colonnes 13-16 du tableau périodique et X est C ou N, a suscité un intérêt général car ils combinent des propriétés intéressantes mais ordinairement rattachées soit aux seules céramiques, soit aux seuls métaux. Leur structure se caractérise néanmoins par des liaisons inter-plans (métalliques) plus fortes que des interactions de type van der Waals. Depuis 2011, date à laquelle les premiers matériaux 2D dérivés, appelés MXenes, ont été produits par gravure chimique à partir des composés MAX précurseurs, aucune autre technique d’exfoliation n'avait été démontrée.Dans cette thèse, nous présentons une méthode d’exfoliation mécanique des phases MAX, jusqu'à des épaisseurs de quelques couches atomiques. Alors qu'un tel procédé a été initialement développé pour les composés de type van der Waals, les fortes liaisons inter-plans dans les phases MAX sont a priori défavorables. Notre étude s'est focalisée sur les phases Cr2AlC, V2AlC, Ti2SnC et la phase Mo4Ce4Al7C3, pour lesquelles nous avons démontré que des adaptations du procédé développé pour la conversion graphite/graphène conduisent à des résultats remarquables : des feuillets de grandes dimensions latérales et d'épaisseur homogène jusqu'à quelques couches atomiques ont pu être isolés. L'isolation de feuillets épais de quelques monocouches sur des substrats SiO2/Si a permis la caractérisation de leur surface et de leurs propriétés électriques. En outre, des mesures par microscopie à force atomique (AFM) et par microscopie à effet tunnel (STM) de la surface de monocristaux de Cr2AlC clivés dans des conditions d’ultra-vide révèlent que des groupes d'atomes Al se forment sur la surface clivée. Les microscopies à force électrostatique et à sonde Kelvin (EFM et KPFM) fournissent la preuve que les feuillets sont métalliques jusqu'à l'épaisseur d'une demi-maille de la structure initiale. La même conclusion est tirée de mesures de résistivité en fonction de la température et des courbes courant–tension.Enfin, une étude cinétique de la conversion de phase MAX en MXene, basée sur la gravure par acide fluorhydrique (HF) d'une structure bien définie et composée de piliers monocristallins de V2AlC, montre que la pénétration de HF a lieu au niveau des facettes perpendiculaires aux plans ab du monocristal

Modellierungsverfahren und Regelstrategien für wechselrichterdominierte Inselnetze

Published in print by Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-2872-3 (ISSN 2367-3761)The character of modern power systems is changing rapidly and inverters are taking over a considerable part of the energy generation. A future purely inverter-based grid could be a viable solution, if its technical feasibility can be first validated. The focus of this work lies on inverter dominated microgrids, which are also mentioned as 'hybrid' in several instances throughout the thesis. Hybrid, as far as the energy input of each generator is concerned. Conventional fossil fuel based generators are connected in parallel to renewable energy sources as well as battery systems. The main contributions of this work comprise of: The analysis of detailed models and control structures of grid inverters, synchronous generators and battery packs and the utilization of these models to formulate control strategies for distributed generators. The developed strategies accomplish objectives in a wide time scale, from maintaining stability during faults and synchronization transients as well as optimizing load flow through communication-free distributed control.Die Struktur der modernen Energieversorgung hat sich in den letzten Jahrzehnten massiv geändert. Dezentrale Generatoren, die auf Wechselrichtern basieren, übernehmen einen großen Teil der Energieerzeugung. Ein ausschließlich wechselrichterbasiertes Netz wäre ein realistischer Ansatz, wenn seine technische Machbarkeit verifiziert werden könnte. Die wichtigste Beiträge dieser Arbeit sind: Die Analyse von Modellen und Regelstrukturen von Netzwechselrichtern, Synchrongeneratoren und Batterieanlagen. Die entwickelten Modelle werden verwendet, um Regelstrategien für dezentrale Generatoren in Mittelspannungsinselnetzen zu formulieren. Die erste Strategie ist eine Synchronisationsmethode für netzbildende Wechselrichter. Zweitens wird die Leistungsaufteilung in Mittelspannungsinselnetzen mittels Droop Regelung analysiert. Weiterhin erfolgt die Untersuchung der transienten Lastaufteilung zwischen netzbildenden Einheiten mit unterschiedlichen Zeitkonstanten. Beim Betrieb mehrerer paralleler Wechselrichter wird der Einfluss der Netzimpedanz auf die transiente Lastaufteilung analysiert. Die dritte entworfene Regelstrategie umfasst die Integration der Sekundärregelung in die Primärregelung. Der Ladezustand von Batterien wird mit der Lastaufteilung gekoppelt, um die Autonomie des Netzes zu stärken. Abschließend wird eine Kurzschlussstrategie für netzbildende und netzspeisende Wechselrichter entwickelt. Ziel der Strategie ist die Maximierung des Kurzschlussstromes. Als zusätzliche Randbedingung soll keine Kommunikation zwischen Generatoren stattfinden

Two dimensional electron devices built with large area MAXenes

L'isolation du graphène par exfoliation mécanique a montré que les matériaux massifs nano-lamellaires liés par de faibles liaisons inter-plans peuvent être convertis en leurs dérivés bidimensionnels par une technique simple. À ce jour, l'exfoliation mécanique a été appliquée avec succès à divers matériaux lamellaires avec des interactions inter-plans de type van der Waals, tels que le nitrure de bore hexagonal (h-BN) et les di-chalcogénures de métaux de transition (TMDC).Une autre classe de composés nano-lamellaires appelés phases MAX, où M est un métal de transition des premières colonnes, A appartient aux colonnes 13-16 du tableau périodique et X est C ou N, a suscité un intérêt général car ils combinent des propriétés intéressantes mais ordinairement rattachées soit aux seules céramiques, soit aux seuls métaux. Leur structure se caractérise néanmoins par des liaisons inter-plans (métalliques) plus fortes que des interactions de type van der Waals. Depuis 2011, date à laquelle les premiers matériaux 2D dérivés, appelés MXenes, ont été produits par gravure chimique à partir des composés MAX précurseurs, aucune autre technique d’exfoliation n'avait été démontrée.Dans cette thèse, nous présentons une méthode d’exfoliation mécanique des phases MAX, jusqu'à des épaisseurs de quelques couches atomiques. Alors qu'un tel procédé a été initialement développé pour les composés de type van der Waals, les fortes liaisons inter-plans dans les phases MAX sont a priori défavorables. Notre étude s'est focalisée sur les phases Cr2AlC, V2AlC, Ti2SnC et la phase Mo4Ce4Al7C3, pour lesquelles nous avons démontré que des adaptations du procédé développé pour la conversion graphite/graphène conduisent à des résultats remarquables : des feuillets de grandes dimensions latérales et d'épaisseur homogène jusqu'à quelques couches atomiques ont pu être isolés. L'isolation de feuillets épais de quelques monocouches sur des substrats SiO2/Si a permis la caractérisation de leur surface et de leurs propriétés électriques. En outre, des mesures par microscopie à force atomique (AFM) et par microscopie à effet tunnel (STM) de la surface de monocristaux de Cr2AlC clivés dans des conditions d’ultra-vide révèlent que des groupes d'atomes Al se forment sur la surface clivée. Les microscopies à force électrostatique et à sonde Kelvin (EFM et KPFM) fournissent la preuve que les feuillets sont métalliques jusqu'à l'épaisseur d'une demi-maille de la structure initiale. La même conclusion est tirée de mesures de résistivité en fonction de la température et des courbes courant–tension.Enfin, une étude cinétique de la conversion de phase MAX en MXene, basée sur la gravure par acide fluorhydrique (HF) d'une structure bien définie et composée de piliers monocristallins de V2AlC, montre que la pénétration de HF a lieu au niveau des facettes perpendiculaires aux plans ab du monocristal.The isolation of graphene using mechanical exfoliation indicated that layered structure bulk materials with weak layer-to-layer bonds can be transformed to their 2D derivates with such a simple technique. To date, mechanical exfoliation has been successfully applied to various lamellar materials with van der Waals inter-layer bonding, such as hexagonal boron nitride (h-BN) and transition metal dichalcogenides (TMDC).Another class of lamellar compounds named MAX phases, where M is an early transition metal, A belongs to group 13-16 of the periodic table and X is C or N, has globally aroused interest owing to a particular combination of ceramic and metal properties. Their layered structure displays stronger inter-layer (metallic) bonds than van der Waals and since 2011, when the first 2D counterparts, named MXenes, were produced by chemically etching of the parent MAX phases, no other delamination technique has been applied so far.In this thesis we introduce a new way to delaminate MAX phases down to the ultimate thinness, via mechanical exfoliation. While such a process has been initially developed for van der Waals layered compounds, the strong inter-layer bonds in MAX phases seems unfavorable a priori. Our study was focused on Cr2AlC, V2AlC, Ti2SnC MAX phases and the Mo4Ce4Al7C3 phase, for which we demonstrated that modifications to the transfer recipe known for graphite/graphene lead to remarkable results : flakes with large lateral dimensions and homogeneous thickness down to monolayer could be isolated. The isolation of few-monolayers thick flakes on SiO2/Si substrates paved the way for their surface and electrical properties characterization. Besides, Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Tunneling Microscopy (STM) measurements of the surface of cleaved Cr2AlC single crystals in ultra-high vacuum conditions revealed that clusters of Al atoms remain on the cleaved surface. Electrostatic Force and Kelvin Probe Force Microscopies (EFM and KPFM) provide clear evidence that flakes are metallic down to monolayer thickness. The same conclusion is deduced both from resistivity measurements as a function of temperature and I-V curves.Finally, a kinetics study of MAX-to-MXene conversion based on the HF etching of a well-defined structure comprised of square-size V2AlC pillars indicated that HF penetration takes place at facets perpendicular to the basal planes of the single crystal

Dispositifs électroniques bi-dimensionnels fabriqués à partir de MAX-enes

The isolation of graphene using mechanical exfoliation indicated that layered structure bulk materials with weak layer-to-layer bonds can be transformed to their 2D derivates with such a simple technique. To date, mechanical exfoliation has been successfully applied to various lamellar materials with van der Waals inter-layer bonding, such as hexagonal boron nitride (h-BN) and transition metal dichalcogenides (TMDC). Another class of lamellar compounds named MAX phases, where M is an early transition metal, A belongs to group 13-16 of the periodic table and X is C or N, has globally aroused interest owing to a particular combination of ceramic and metal properties. Their layered structure displays stronger inter-layer (metallic) bonds than van der Waals and since 2011, when the first 2D counterparts, named MXenes, were produced by chemically etching of the parent MAX phases, no other delamination technique has been applied so far. In this thesis we introduce a new way to delaminate MAX phases down to the ultimate thinness, via mechanical exfoliation. While such a process has been initially developed for van der Waals layered compounds, the strong inter-layer bonds in MAX phases seems unfavorable a priori. Our study was focused on Cr2AlC, V2AlC, Ti2SnC MAX phases and the Mo4Ce4Al7C3 phase, for which we demonstrated that modifications to the transfer recipe known for graphite/graphene lead to remarkable results : flakes with large lateral dimensions and homogeneous thickness down to monolayer could be isolated. The isolation of few-monolayers thick flakes on SiO2/Si substrates paved the way for their surface and electrical properties characterization. Besides, Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Tunneling Microscopy (STM) measurements of the surface of cleaved Cr2AlC single crystals in ultra-high vacuum conditions revealed that clusters of Al atoms remain on the cleaved surface. Electrostatic Force and Kelvin Probe Force Microscopies (EFM and KPFM) provide clear evidence that flakes are metallic down to monolayer thickness. The same conclusion is deduced both from resistivity measurements as a function of temperature and I-V curves. Finally, a kinetics study of MAX-to-MXene conversion based on the HF etching of a well-defined structure comprised of square-size V2AlC pillars indicated that HF penetration takes place at facets perpendicular to the basal (ab) planes of the single crystal.Η απομόνωση του γραφενίου με τη χρήση της τεχνικής της μηχανικής αποφλοίωσης απέδειξε ότι τα τρισδιάστατα υλικά με δομή από διαδοχικά στρώματα ατομικών στοιχείων, όπου οι δεσμοί μεταξύ των στρωμάτων είναι ασθενικοί, μπορούν να μετατραπούν στα αντίστοιχά τους διδιάστατα υλικά με μία τόσο απλή τεχνική. Έως σήμερα η μέθοδος της μηχανικής αποφλοίωσης έχει εφαρμοστεί επιτυχώς σε πολλά υλικά με φυλλόμορφη δομή των οποίων οι δεσμοί μεταξύ των στρωμάτων είναι Van der Waals με τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγματα να είναι το εξαγωνικό νιτρίδιο του Βορίου (h-BN) και τα διχαλκογενή μεταβατικά μέταλλα (TMDC). Μία άλλη κατηγορία σύνθετων υλικών με φυλλόμορφη δομή είναι αυτή των φάσεων MAX, στις οποίες το γράμμα Μ αναφέρεται στα μεταβατικά μέταλλα, το γράμμα Α αντιστοιχεί στα στοιχεία των ομάδων 13-16 του περιοδικού πίνακα και το γράμμα Χ αναφέρεται στον άνθρακα (C) ή στο άζωτο (Ν) και η οποία έχει προκαλέσει παγκόσμιο ενδιαφέρον εξαιτίας του ιδιαίτερου τρόπου που συνδυάζει τις ιδιοτήτες τόσο των μετάλλων όσο και των κεραμικών υλικών. Η φυλλόμορφη δομή τους παρουσιάζει ισχυρότερους δεσμούς μεταξύ των στρωμάτων (μεταλλικοί δεσμοί) συγκριτικά με τους δεσμούς Van der Waals και από το 2011, οπότε και προέκυψαν τα πρώτα διδιάστατα υλικά που ονομάστηκαν MXenes με χημική χάραξη των αρχικών φάσεων MAX, δεν έχει εφαρμοστεί καμία άλλη τεχνική μετάβασης από τα 3D στα αντίστοιχα 2D υλικά μέχρι σήμερα. Στη συγκεκριμένη διατριβή εισάγουμε την τεχνική της μηχανικής αποφλοίωσης ως μία νέα μέθοδο αποκόλλησης των φάσεων MAX και απομόνωσης των διδιάστατων στρωμάτων με το ελάχιστο δυνατό πάχος, διαδικασία που θεωρητικά μοιάζει αναποτελεσματική αν λάβουμε υπόψη τους ισχυρούς δεσμούς μεταξύ των ατομικών στρωμάτων και όχι τους αντίστοιχους Van der Waals για τους οποίους είχε αρχικά αναπτυχθεί η προαναφερθείσα τεχνική. Στη μελέτη μας εστιάσαμε στις τριμερείς φάσεις Cr2AlC, V2AlC, Ti2SnC καθώς και την τετραμερή Mo4Ce4Al7C3 φάση, για τις οποίες αποδείξαμε ότι τροποποιήσεις στα βήματα της διαδικασίας μεταφοράς που ήταν γνωστή για το γραφίτη/γραφένιο οδήγησε σε αξιοσημείωτα αποτελέσματα. Συγκεκριμένα κατορθώσαμε να απομονώσουμε λεπτά στρώματα των υλικών μας (νιφάδες) με μεγάλη επιφάνεια και ομοιόμορφο πάχος μέχρι του ενός μονο-στρώματος (monolayer). Η απομόνωση των νιφάδων πάχους μερικών μονο-στρωμάτων πάνω σε υποστρώματα SiO2/Si άνοιξε το δρόμο για το χαρακτηρισμό της επιφάνειάς τους και των ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων. Ειδικότερα, μετρήσεις με τη μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM) και κυρίως με τη μικροσκοπία φαινόμενου σήραγγος (STM) σε επιφάνεια μονοκρυστάλλου Cr2AlC που είχε αποκολλήθει σε δύο επιμέρους επιφάνειες σε συνθήκες υπερ-υψηλού κενού αποκάλυψε ότι συσσωματώματα ατόμων Al παραμένουν και στις δύο επιφάνειες. Οι μικροσκοπίες ανίχνευσης ηλεκτροστατικής δύναμης (EFM και KPFM) κατέδειξαν ξεκάθαρα τη μεταλλική συμπεριφορά των νιφάδων μέχρι και το πάχος του ενός μονο-στρώματος. Το ίδιο συμπέρασμα προέκυψε και από τις μετρήσεις της ειδικής αντίστασης ως συνάρτηση της θερμοκρασίας αλλά και από τις καμπύλες ρεύματος-τάσης (I-V). Τέλος, μέσω μίας κινητικής μελέτης για τη μετατροπή των φάσεων MAX σε MXenes βασισμένης στη χημική χάραξη με υδρο-φθόριο (HF) μιας καλά διαμορφωμένης δομής, η οποία αποτελούνταν από κολόνες V2AlC τετράγωνης επιφάνειας, αποδείξαμε ότι το υδρο-φθόριο εισχωρεί σε επιφάνειες κάθετες στα επίπεδα βάσης (ab planes) του μονοκρυστάλλου

Multi-objective optimization and comparison of DC/DC converters for offshore wind turbines

A key enabling technology for DC collection systems in offshore wind farms is a suitable wind turbine DC/DC converter. However, there is no consensus regarding the topology, design, or operating frequency of this converter. This paper presents an optimization and comparison of four DC/DC converter topologies, including 1-phase, 3-phase, unidirectional, and bidirectional converters. The converters are compared in terms of their reliability, volume, weight and losses at switching frequencies ranging from 500 Hz to 5 kHz. The medium frequency transformer for each converter is designed using multi-objective optimization, and the overall converter volume calculation takes into account the insulation requirements and physical configuration of the components. The results show that if only unidirectional operation is required, the 1-phase single active bridge is the preferred option due to its high reliability, small size and low losses with an optimal operating frequency of up to 2.5 kHz. For bidirectional systems, the 1-phase and 3-phase dual active bridge topologies have a similar efficiency and optimal operating frequency of 1 kHz. Despite its higher volume, the 3-phase version is the preferred option due to its higher reliability and lower device stresses, provided there is enough available space