Abstract The dielectric properties of material are of importance in various industrial and scientific applications of measurement technology. These properties are usually measured by microwave sensors, methods that provide an average result of the entire sample volume. However, the need to know the dielectric properties of single particles has increased in various segments. Dielectrophoresis (DEP) as a method provides a way to determine dielectric properties, such as permittivity and conductivity, of single particles with good precision by using a sufficiently simple system. In this thesis the DEP platform consists of four electrodes with hyperbolic edge geometry. Geometry produces a linear electric field gradient which leads to a constant DEP force in the active region and ensures fairly straightforward determination of particle properties by means of their DEP mobility. Particle mobility is dependent on particle size, the slope of the electric field gradient, the conductivity of the carrier fluid and the frequency of the electric field. For this thesis has been studied particle characterization on a 2D platform, particle 3D behavior, simultaneous multiphenomena observation and the applicability of transparent indium-tin-oxide (ITO) electrode material to DEP platforms. Experiments were made with polystyrene particles, using carrier fluids of varying conductivity. Electrode transparency enabled holographic 3D imaging and thus also the observation of particle behavior in the depth direction. This 3D imaging revealed the restricted working distance from the electrode plane, as well as the mobility of particles in the depth dimension under the DEP force. It was also observed that there was only a marginal difference between 3D mobility and 2D mobility inside the active region. The dielectric properties of the polystyrene particles were determined and found to differ from those of solid polystyrene, and thus the properties of the carrier fluid have a distinctive effect on particle properties. The measurement achieved good precision in a single particle measurement and thus the total particle consistency could be very low. The main restrictions of the DEP method are the limited working distance and restricted range of particle sizes: based on the results of this thesis, with a fixed size platform the particle size may not vary by more than tenfold. / Tiivistelmä Materiaalin dielektriset ominaisuudet ovat merkittäviä monissa teollisissa sekä tieteellisissä mittausteknisissä sovelluksissa. Yleensä nämä ominaisuudet mitataan mikroaaltosensoreilla, joilla mitataan näytetilavuuden keskiarvo. Tarve tietää yksittäisen partikkelin dielektriset ominaisuudet on kuitenkin lisääntynyt useilla segmenteillä. Dielektroforeesi (DEP) on menetelmä, jolla voidaan toistettavasti mitata yksittäisen partikkelin permittiivisyys ja johtavuus suhteellisen yksinkertaisella mittaussysteemillä. Tässä työssä DEP-alusta koostuu neljästä elektrodista, joilla on hyperbelin muotoinen elektrodin reunan muoto. Geometria tuottaa lineaarisen sähkökentän gradientin, mikä johtaa vakio DEP-voimaan alustan aktiivisella alueella. Niinpä partikkelin ominaisuuksien määrittely niiden liikkuvuuden perusteellä on suoraviivaista. Liikkuvuus on riippuvainen partikkelin koosta, sähkökentän gradientin kulmakertoimesta, kantajaliuoksen johtavuudesta sekä käytetyn sähkökentän taajuudesta. Työssä on tutkittu partikkelin karakterisointia 2D-alustalla, partikkelin 3D-käyttäytymistä, samanaikaista moni-ilmiötarkkailua sekä indium-tina-oksidi (ITO) elektrodimateriaalin soveltuvuutta DEP-alustoihin. Kokeet tehtiin polystyreenipartikkeleilla käyttäen eri johtavuuksisia kaliumkloridi-kantajaliuoksia. Elektrodien läpinäkyvyys mahdollisti holografisen 3D-kuvantamisen, jonka avulla havaittiin alustan rajallinen toimintaetäisyys sekä partikkelin syvyyssuuntainen liike DEP-voiman vaikutuksesta. Kuitenkin 3D- ja 2D-liikkeen välillä havaittiin vain vähäinen ero. Määritellyt partikkelin dielektriset ominaisuudet eroavat kiinteän polystyreenin arvoista, jolloin kantajaliuoksen ominaisuuksilla on merkittävä vaikutus määriteltyihin partikkelin ominaisuuksiin. Mittauksilla saavutettiin hyvä toistettavuus jopa yksittäisen partikkelin mittauksista, niinpä näytteen partikkelipitoisuus voi olla erittäin pieni. DEP-menetelmän merkittävimpiä rajoitteita ovat rajallinen toimintaetäisyys sekä rajallinen partikkelikoon variaatio, mikä voi olla yhdellä DEP-alustalla noin kymmenkertainen.

Abstract The uniformity of conductive materials is an important property in thin film electronic applications such as solar cells and light emitting diodes (LED). Such uniformity variations are often very small, invisible or below the surface of the film and thus are difficult to detect even when using high-resolution characterization devices. Thus, surface measurement instruments such as profilometer, atomic force microscope, or scanning electron microscope can all encounter remarkable challenges. The uniformity of films can also be analyzed by conductivity measurements. However, they do not provide the precise spatial uniformity information of a large area sample. To be able to investigate systematically the defects of conductive thin films an appropriate sample preparation method was constructed. In addition, a synchronized heating and IR-imaging based system (called synchronized thermography = ST) was developed to overcome the limitations of existing characterization methods. ST performance was tested and analyzed by measuring the single and multi-layer structures. In this work, Indium Tin Oxide (ITO) and poly(3,4-ethylenedioxy-thiopene):poly(styrene-sulfonate) (PEDOT: PSS) were used as examples of conductive thin films. Obtained results show that ST is capable of localizing even small defects from thin film structures based on a single IR-image. In order to make automatic identification of the defect locations and the sizes of the defects, a data processing algorithm was implemented. The performed experiments have proven ST capable of determining the conductivity of the films and the critical bending curvature of ITO. Based on thin film multi-layer PEDOT:PSS measurements, the results suggest use of the ST-method is also suitable for thickness measurements. ST with automatic data processing is a simple method to localize small defects in large-area thin film structures. This approach opens up new possibilities in measuring industrial scale manufacturing processes. / Tiivistelmä Johtavien materiaalien tasalaatuisuus on tärkeä ominaisuus ohutkalvoelektroniikan sovelluksissa kuten aurinkokennoissa ja valoa emittoivissa diodeissa (LED). Tasalaatuisuuserot ovat usein erittäin pieniä, näkymättömiä tai ne sijaitsevat pinnan alla, joten niiden havaitseminen on vaikeaa jopa korkean resoluution karakterisointivälineillä. Niinpä pintaa mittaavat laitteet kuten profilometri, atomivoimamikroskooppi ja skannaava elektronimikroskooppi kohtaavat merkittäviä haasteita. Pinnan tasalaatuisuutta voidaan analysoida myös johtavuusmittauksilla. Ne eivät kuitenkaan anna täsmällistä spatiaalista informaatiota suurista näytteistä. Johtavien ohutkalvojen rikkoutumien systemaattista tutkimista varten kehitettiin oma näytteiden käsittelymenetelmä. Lisäksi kehitettiin synkronoituun lämmitykseen ja infrapunakuvantamiseen perustuva mittaussysteemi (menetelmän nimi: synkronoitu termografia = ST), jolla pyritään ratkaisemaan nykyisten menetelmien rajoitukset. ST-menetelmää testattiin ja analysoitiin mittaamalla yksi- ja monikerroksisten kalvojen rakenteita. Indiumtinaoksidia (ITO) ja poly(3,4-etyleenidioksi-tiofeeni):poly(styreeni-sulfonaatti):a (PEDOT: PSS) käytettiin esimerkkeinä johtavista kalvoista. Tulokset osoittavat, että ST kykenee paikallistamaan pienetkin virheet ohutkalvorakenteista jopa yhden infrapunakuvan perusteella. Automaattisen tiedonkäsittelyn algoritmi implementoitiin identifioimaan virheiden paikkariippuvuuksia ja kokoja. Tehdyt kokeet osoittavat, että ST-menetelmä soveltuu kalvojen johtavuuden ja ITO:n kriittisen taivutussäteen määrittämiseen. Monikerroksisiin PEDOT:PSS rakennemittauksiin perustuen ST-menetelmä näyttäisi soveltuvan myös ohutkalvojen paksuuksien määrittämiseen. ST-menetelmä yhdistettynä automaattiseen mittaustiedon prosessointiin on yksinkertainen menetelmä paikallistamaan pieniä virheitä suuripinta-alaisilla näytteillä. Tämä lähestymistapa avaa uusia mittausmahdollisuuksia teollisuuden tuotantoprosesseihin.