SHEPOTKO Y. Flexible thermoelectric, triboelectric and piezoelectric device structures based on nanostructured layers of semiconductors and biopolymer nanocomposites

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (PhD)

State registration number

0826U000509

Thesis Registration Form

0826U000509.pdf

Applicant for

Yevhenii SHEPOTKO

Specialization

105 - Прикладна фізика та наноматеріали

Date of defense

12-05-2026

Specialized Academic Board

PhD 12236

National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

Essay

Shepotko Y. Flexible thermoelectric, triboelectric and piezoelectric device structures based on nanostructured layers of semiconductors and biopolymer nanocomposites. - Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Dissertation for the degree of doctor of philosophy in the specialty 105 «Applied physics and nanomaterials» (10 – Natural sciences). - National technical university «Kharkiv polytechnic institute» of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2026. The work was performed at the Department of Micro- and Nanoelectronics of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" of the Ministry of Education and Science of Ukraine. The dissertation can be found in the library of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" at the address: 2, Kyrpychova str., 61002, Kharkiv, Ukraine. The relevance of this dissertation research lies in the development of effective thermoelectric, triboelectric and piezoelectric device structures of flexible and textile electronic generators and sensors for powering wearable electronics and for autonomous detection of mechanical influences, which are built on the basis of biocompatible thin nanostructured layers of semiconductor materials zinc oxide (ZnO) and copper iodide (CuI), and using the biopolymer nanocellulose (NC). The dissertation solves a set of fundamental and applied problems. The designs of flexible textile triboelectric nanogenerators and autonomous sensors with nanostructured zinc oxide layers deposited on carbon fabric (CF) by the automatic successive ion layer adsorption and reaction (SILAR) method have been developed and their output characteristics have been determined. The optimal design of piezoelectric/triboelectric two-contact pressure and impact sensors with arrays of zinc oxide nanorods and nanotubes on CF synthesized by microwave hydrothermal method has been created, experimental samples have been manufactured and their output characteristics have been analyzed. The device structures of piezoelectric/triboelectric single-contact vibration sensors with arrays of zinc oxide nanorods and nanotubes on carbon fabric synthesized by microwave hydrothermal method have been developed, experimental samples have been manufactured and their output characteristics have been investigated. Experimental samples of flexible and textile thermoelectric elements with nanostructured CuI films on substrates made of polyimide, polyethylene terephthalate, on the biopolymer nanocellulose substrates and on textile nanocomposites made of NC hydrogels of various origins and polyester and cotton fabric fibers were manufactured, and their output characteristics were studied. The scientific novelty of the results obtained is as follows: - for the first time, device structures for efficient triboelectric nanogenerators and self-powered sensors based on CF/ZnO were developed; - for the first time, self-powered piezoelectric/triboelectric generators and sensors with arrays of zinc oxide nanorods and nanotubes synthesized by the microwave hydrothermal method on carbon fabric were developed; - for the first time, device structures of thin-film thermoelectric elements for flexible and textile thermoelectric generators based on nanostructured CuI layers on flexible substrates made of synthetic polymers and nanocellulose biopolymer were developed, as well as on the surface of fibers of textile nanocomposite substrates of polyester and cotton fabrics impregnated with nanocellulose. The obtained results are of practical importance. Effective triboelectric nanogenerators and self-powered sensors were created based on nanostructured zinc oxide layers deposited on carbon fabric fibers by the automatic SILAR method and their initial parameters were investigated. Functional experimental samples of self-powered piezoelectric/triboelectric generators and sensors with arrays of zinc oxide nanorods and nanotubes synthesized by microwave hydrothermal method on carbon fabric were manufactured and their output parameters were investigated. Thin-film thermoelectric elements were created based on nanostructured layers of copper iodide and flexible polymer substrates made of synthetic materials and nanocellulose biopolymer, as well as on fibers of textile biopolymer nanocomposites made of polyester and cotton fabrics impregnated with nanocellulose, and their suitability for use in flexible and textile thermoelectric generators was experimentally proven. The practical results of the work are protected by the patent of Ukraine for a utility model No. 159678 “Method for manufacturing a textile 5 piezoelectric/triboelectric nanogenerator with a two-electrode sandwich structure”. Keywords: nanostructured layer, sensor, thin film, crystal structure, semiconductor, morphology, nanocomposite, electronics, nanotechnology, biopolymer, X-ray diffraction, electrical parameters, substrate, texture, fluorescence spectroscopy

Thesis supervisor

Natalya Klochko

Official opponents

Oleg M. Chugai
Valeriia M. Trusova

Reviewers

Anton M. Drozdov
Andriі I. Dobrozhan

Research papers

Статті у періодичних наукових виданнях, які індексовано в базі SCOPUS:

1. Shepotko Y.M., Klochko N.P., Barbash V.A., Petrushenko S.I., Kopach V.R., Dukarov S.V., Sukhov V.M., Yashchenko O.V., Khrypunova A.L. Flexible environmentally friendly thermoelectric material made of copper (I) iodide and nanocellulose for green energy. Journal of nano- and electronic physics. 2023. V. 15. No. 4. Р. 04003-1 – 04003-7.

2. Shepotko E.M., Klochko N.P., Kopach V.R., Petrushenko S.I., Dukarov S.V., Sukhov V.M., Khrypunova A.L. Copper-enriched nanostructured conductive thermoelectric copper(I) iodide films obtained by chemical solution deposition on flexible substrates. Ukr. J. Phys. 2024. V. 69. No. 2. P. 115-123.

3. Shepotko Y.M., Klochko N.P., Barbash V.A., Kopach V.R., Petrushenko S.I., Yashchenko O.V., Fijalkowski M., Adach K.I., Dukarov S.V., Sukhov V.M., Khrypunova A.L. Composite fabric with nanocellulose impregnated cotton for eco-friendly thermoelectric textile. Cellulose. 2024. V. 31. P. 5947–5961.

4. Shepotko Y.M., Petrushenko S.I., Fijalkowski M., Kopach V.R., Adach K., Dukarov S.V., Sukhov V.M., Fedonenko A., Khrypunova A.L., Klochko N.P. Carbon fabric coated with nanostructured zinc oxide layers for use in triboelectric self-powered touch sensors. Journal of Material Science: Materials in Electronics. 2024. V. 35. P. 414-1 – 414-20.

5. Shepotko Y.M., Petrushenko S.I., Fijalkowski M., Kopach V.R., Adach K., Dukarov S.V., Sukhov V.M., Fedonenko A., Khrypunova, A.L., Klochko, N.P. Triboelectric nanogenerators based on nanostructured layers of zinc oxide deposited on carbon fabric. J. Compos. Sci. 2023. V. 7. P 496-1 – 496-13.

6. Shepotko Y.M., Petrushenko S.I., Adach K., Fijalkowski M., Kopach V.R., Dukarov S.V., Sukhov R.V., Fedonenko A., Khrypunova A.L., Klochko N.P. Zinc oxide nanorods and nanotubes arrays grown on carbon fabric by microwave hydrothermal method for self-powered piezoelectric/triboelectric sensors. Thin Solid Films. 2025. V. 810. P.140601.

7. Shepotko Y.M., Petrushenko S.I., Fijalkowski M., Adach K., Fedonenko D., Dukarov S.V., Sukhov V.M., Khrypunova A.L., Klochko N.P. Low-temperature, highly sensitive ammonia sensors based on nanostructured copper iodide layers. Chemosensors. 2025. V. 13. P. 29.

8. Shepotko Y., Petrushenko S., Adach K., Fijalkowski M., Dukarov S., Sukhov V., Fedonenko D., Khrypunova A., Klochko N. Sulfur-doped nanostructured copper iodide films for chemiresistive ammonia sensors analyzing exhaled breath. Physica Status Solidi. A. 2025. P. 202400966.

9. Shepotko Y.M., Fedonenko D., Petrushenko S.I., Adach K., Fijalkowski M., Dukarov S.V., Sukhov R.V., Khrypunova A.L., Klochko N.P. Nanostructured copper iodide film in a multifunctional flexible device for ultraviolet photodetection and ammonia monitoring. Ukr. J. Phys. 2025. V. 70. No. 6. P. 406-421.

Опубліковані праці апробаційного характеру:

10. Shepotko E.M., Klochko N.P., Klepikova K.S., Kopach V.R., Kirichenko M.V., Khrypunova A.L., Barbash V.A., Yakymenko O.S., Yashchenko O.V., Petrushenko S.I., Dukarov S.V., Sukhov V.M. Flexible textile thermoelectric materials with CuI nanostructured films deposited on composites of nanocellulose and polyester fabric. Conference Proceedings. 2022 IEEE 3rd KhPI Week on Advanced Technology (KhPI Week). (October 03 – 07, 2022; Kharkiv, Ukraine.) – P. 70-75.

11. Шепотько Є., Петрушенко С., Невгасимов О. Термоелектричний текстиль на основі наноструктурованих плівок йодиду міді. Тези доповідей Міжнародної конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА–2022. Львів, 18-20 жовтня 2022. С. А1.

12. Шепотько Є.М., Копач В.Р., Клочко Н.П., Петрушенко С.І., Дукаров С.В., Сухов В.М., Хрипунова А.Л. Використання спонтанного градієнта температур в термоелектричному наногенераторі із тонкими плівками йодиду міді. Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я: тези доповідей ХXХІ міжнародної науково-практичної конференції MicroCAD-2023, 17-20 травня 2023 р. / за ред. проф. Сокола Є.І. – Харків: НТУ «ХПІ». – С. 449.

13. Шепотько Є.М., Клочко Н.П., Барбаш В.А., Копач В.Р., Ященко О.В., Петрушенко С.І., Дукаров С.В., Сухов В.М., Хрипунова А.Л. Біорозкладні гнучкі покриття на основі йодиду міді і наноцелюлози для захисту від ультрафіолетового випромінювання. Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я: тези доповідей ХXХІI міжнародної науково-практичної конференції MicroCAD-2023, 17-20 травня 2023 р. / за ред. проф. Сокола Є.І. – Харків: НТУ «ХПІ». – С. 448.

14. Shepotko E.M., Klochko N.P., Kopach V.R., Petrushenko S.I., Dukarov S.V., Sukhov V.M., Khrypunova A.L. Copper-enriched nanostructured conductive thermoelectric copper (I) iodide films obtained by chemical solution deposition on flexible substrates. 9-та Українська наукова конференція з фізики напівпровідників. Матеріали конференції. (22-26 травня, 2023; Ужгород, Україна) – Р. 239-240.

15. Shepotko Y., Fedonenko A., Petrushenko S., Adach K., Kopach V., Klochko N. Wide band gap nanostructured marshite and digenite films deposited by automatic SILAR method. 2024 IEEE 5rd KhPI Week on Advanced Technology (KhPI Week). (October 07 – 10, 2024; Kharkiv, Ukraine.) Р.14-18.

16. Shepotko Y., Klochko N., Petrushenko S., Adach K., Fijalkovski M., Kopach V., Dukarov S., Sukhov V. Automatic successive ionic layer adsorption and reaction method for deposition of nanostructured zinc oxide arrays on carbon fabric. Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я: тези доповідей ХXХІI міжнародної науково-практичної конференції MicroCAD-2024, 22-25 травня 2024 р. / за ред. проф. Сокола Є.І. – Харків: НТУ «ХПІ». – С. 480.

17. Shepotko Y., Kopach V., Petrushenko S., Adach K., Fijalkovski M., Klochko N., Sukhov V., Dukarov S. Modes of microwave hydrothermal method for growing zinc oxide nanorods and nanotubes. Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я: тези доповідей ХXХІI міжнародної науково-практичної конференції MicroCAD-2024, 22-25 травня 2024 р. / за ред. проф. Сокола Є.І. – Харків: НТУ «ХПІ». – С. 481.

18. Шепотько Є.М., Клочко Н.П., Петрушенко С.І., Дукаров С.В., Сухов В.М. Біосумісний нанокомпозитний термоелектричний текстиль на основі вбудованих у поліестерові волокна наноструктур оксиду цинку. Міжнародна науково-технічна конф. “Сучасні полімерні матеріали та композити: одержання, переробка та дослідження”: тези доповідей І Міжнародної науково-технічної конференції, 18–19 березня 2025 р. / укл. Лебедєв В.В. – Харків, НТУ «ХПІ». – 66 с. С. 10.

19. Shepotko Y., Klochko N., Petrushenko S., Adach K., Fijalkowski M., Dukarov S., Sukhov V.. Thin-film flexible thermoelectric module with nanostructured zinc oxide array on a polyimide substrate. Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я: тези доповідей ХXХІІІ міжнародної науково-практичної конференції MicroCAD-2025, 14-17 травня 2025 р. / за ред. проф. Сокола Є.І. – Харків:НТУ «ХПІ». – C. 602.

Патент України на корисну модель

20. Клочко Н.П., Копач В.Р., Шепотько Є.М., Петрушенко С.І., Дукаров С.В., Сухов В.М. Спосіб виготовлення текстильного п’єзоелектричного/трибоелектричного наногенератора із двохелектродною сандвічевою конструкцією. Патент на корисну модель № 159678. Зареєстровано в Державному реєстрі патентів України на корисні моделі 26.06.2025. Дата публікації відомостей про видачу патенту та номер бюлетеня 25.06.2025, Бюл. № 26.

0826U000438

Taras V. Pryimak

Transformation of the impedance spectra of biological tissues under the influence of destructive factors.

0825U004313

Olha V. Leshko

Optical Properties of Spherical Non-Concentric Core-Shell Quantum Dots

0825U004104

Dariіa L. Popadiuk

The influence of crystal structure on magnetostatic and magnetodynamic properties of epitaxial films of Heusler alloys

0825U003918

Svitlana A. Lisovska

Structure, morphology and electrochemical properties of electrode materials of charge storage systems.

0825U003795

Ihor V. Sukhenko

Electronic structure of lead and calcium apatites, doped with transition metals and carbonate ions.