Lanthanide and/or Quantum Dot Doped Luminescent Glasses/Glass Nanocomposites as Wavelength Convertors for Advanced Opto Electronic Applications
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2022
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: Orhan Kıbrıslı
Danışman: Ali Erçin Ersundu
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Elektromanyetik spektrumun %0,0035 gibi küçük bir bölümünü kapsayan görünür ışık bandı insan gözünün algılayabildiği tek dalga boyu aralığıdır. Bu nedenle, teknolojik gelişmeler, zaman içinde ateş, akkor lambalar ve son olarak da lüminesan malzemeler gibi çok çeşitli yapay görünür ışık kaynaklarının ortaya çıkmasına neden olmuştur. Ateş ve akkor lambalar geçmişte uzun süreler boyunca aydınlatma uygulamalarında başarılı bir şekilde insanlığa hizmet etmesine rağmen, gün geçtikçe sadece aydınlatma amaçlı değil, aynı zamanda daha gelişmiş yüksek teknoloji uygulamalara ihtiyaç duyması nedeniyle daha üstün özellikli malzeme ve tekniklerin geliştirilmesi kaçınılmaz hale gelmiştir. Bu noktada fotolüminesan malzemeler, bilimsel ve teknolojik gelişmeler sonucu ortaya çıkan zorlu gereksinimleri başarıyla karşılayabildikleri için ön plana çıkmaktadır. Bazı organik bileşikler, geçiş metalleri, lantanit iyonları ve kuantum noktalar bu anlamda öne çıkan fotolüminesan malzemelerdir. Bu malzemeler arasında, lantanit iyonları ve kuantum noktalar, yüksek fotolüminesan kuantum verimi değerleri nedeniyle pratik uygulamalarda kullanılmak üzere çok yüksek potansiyele sahiptir. 5s ve 5p orbitallerinin kalkan etkisi ile korunan çok sayıdaki 4f-4f ve 5d-4f ışımalı geçişleri sayesinde lantanit iyonları çok yönlü fotolüminesans malzemeler olarak kabul edilmektedir. Öte yandan, boyuta bağlı bant aralığı ve ayarlanabilir ışıma dalga boyu ise kuantum noktaların öne çıkan özellikleri arasındadır. Tüm bu avantajlı özelliklerine rağmen kuantum noktaların yüksek yüzey enerjisi değerleri hava, sıcaklık ve nem gibi dış etmenlere karşı hassasiyete neden olmaktadır. Bu nedenle, birçok uygulama alanına entegrasyonları ideal bir konak malzemesinin olmaması nedeniyle gerçekleşememektedir. Fotolüminesan malzemelerin çevresel faktörlerden korunmalarını sağlamak ve aynı zamanda ışıma özelliklerinden faydalanabilmek için dayanıklı bir konak malzeme içine hapsedilmeleri gerekmektedir. Lantanit iyonlarının ve kuantum noktaların korunması için yaygın olarak polimer bazlı malzemeler kullanılmaktadır. Bununla birlikte, polimerlerin düşük kararlılık ve yüksek güçlü ışıma altında hızlı bozunma gibi özellikleri çevresel olarak zorlu şartlar barındıran uygulamalar için yetersiz kalmaktadır. Bu noktada, üstün mekanik, ısıl, kimyasal ve foto dayanımları nedeniyle camlar umut vaat eden konak malzemeler olarak öne çıkmaktadır. Son yıllarda, lantanit iyonları ve kuantum noktaların camlar ile bir araya getirilmesi araştırmacıların odak konularından biri olmuştur. Her bir lantanit iyonu ve kuantum noktanın ışıma özelliklerinden tam olarak faydalanabilmek için cam konak malzemenin özel olarak tasarlanması gerekmektedir. Aynı zamanda, bu tür cam esaslı malzemeler tasarlanırken hedef uygulama alanının gereksinimleri de göz önünde bulundurulmalıdır. Bu nedenle, bu tez çalışmasında, çeşitli lantanit iyonları ve/veya kuantum katkılandırılmış cam/cam nanokompozitler geliştirilmiş ve ileri opto-elektronik uygulamalarda kullanım potansiyelleri değerlendirilmiştir. Tez çalışması giriş, teorik bilgi, beş ana bölüm ve sonuçlar kısmı olmak üzere toplam sekiz bölümden oluşmaktadır. Beş ana bölüm, yazarın doktora çalışmaları sırasında yayınladığı ve katı-hal aydınlatma, hacimsel ekran ve temassız sıcaklık ölçümü uygulamaları üzerine odaklanan bilimsel makalelerin orijinal metinlerinden oluşmaktadır. Bu bilimsel makaleler, tezin ilgili bölümlerinde ilk yayımlandıkları şekilde sunulmuştur. İlk bölüm, teze genel bir giriş ile birlikte tezin amacını ve özgünlüğünü ortaya koymaktadır. İkinci bölümde, lüminesans, lantanit iyonları, kuantum noktalar ve konak malzemeler hakkında teorik bilgiler yer almaktadır. Üçüncü bölümde, katı-hal aydınlatma uygulamaları için Dy3+ katkılı tellürit camların özellikleri irdelenmektedir. Bu çalışmada, mavi ve sarı ışığın karışımı olarak beyaz ışıma yapabilen Dy3+ iyonları bir tellürit cam matris içerisine farklı oranlarda katkılandırılmıştır. Tellürit camların düşük fonon enerjisi ve üstün optik özelliklerinden faydalanılarak, iyi renk oluşturma indeksi ve uyarlanmış renk sıcaklığı değerlerine sahip saf beyaz ışık, tek tip lantanit iyonu kullanılarak elde edilmiş ve bu malzemelerin katı-hal aydınlatma uygulamalarında kullanım potansiyeli değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, pratik uygulamalara entegre edilmeden önce bu tür camların fotolüminesan kuantum verimi değerlerinin daha da geliştirilmesi gerektiği sonucuna varılmıştır. Bunun üzerine, dördüncü bölümde, CsPbBr3 ve CdSe/Dy3++CdSe katkılı silika cam nanokompozitlerin katmanlar halinde mavi LED çipi üzerinde konumlandırılması ile beyaz ışık yayan iki farklı LED geliştirilmiş ve katı-hal uygulamalarında kullanım potansiyelleri değerlendirilmiştir. Bu çalışmada, CdSe kuantum noktaların tellürit cam matris içerisinde sentezi sırasında karşılaşılan zorluklar nedeniyle silika cam matris tercih edilmiştir. Dy3+ lantanit iyonlarının ve CdSe kuantum noktaların yapıya birlikte katkılandırılması sonucu belirgin bir fotolüminesan kuantum verimi artışı gözlenmiş ve üstün renk oluşturma indeksi değerine sahip saf beyaz ışık elde edilmiştir. Tüm bu avantajlı özelliklere rağmen katmanlı cihaz yapısının pratikte kendine özgü problemleri bulunmaktadır. Bu nedenle, beşinci bölümde, CdSe ve CsPbBr3 QD'ler aynı cam konak malzeme içerisinde sentezlenerek katmanlı yapının dezavantajları ortadan kaldırılmaya çalışılmıştır. Bu çalışmada, CdSe ve CsPbBr3 katkılı cam nanokompozitler, kuantum noktalar arasındaki enerji transferi nedeniyle farklı uyarım dalgaboyları altında elektromanyetik spektrumun yeşil-sarı bölgesinden kırmızı bölgesine kadar ayarlanabilen ışıma özelliği göstermiştir. Bu nedenle, CdSe ve CsPbBr3 kuantum nokta katkılı cam nanokompozitler sadece katı-hal aydınlatma uygulamaları için değil, aynı zamanda çok çeşitli fotonik ve opto-elektronik uygulamalar için ışıma rengi ayarlanabilir dalga boyu dönüştürücüler olarak değerlendirilmiştir. Altıncı bölümde, Ho3+/Tm3+/Yb3+ lantanit iyonları katkılı tellürit camların ışıma rengi, uyarım kaynağının frekansının değiştirilmesi ile anlık ve geçici olarak ayarlanmış ve bu camların hacimsel ekran uygulamalarında kullanım potansiyelleri değerlendirilmiştir. Yedinci bölümde ise, Ho3+ ve Ho3+/Er3+ katkılı tellürit camların floresans şiddet oranı yöntemi ile temassız sıcaklık ölçümü uygulamalarında kullanım potansiyelinin değerlendirildiği deneysel çalışmalara yer verilmiştir. Özetle, bu tez çalışmasında, lantanit iyonu ve/veya kuantum nokta katkılı camların/cam nanokompozitlerin optik ve fotolüminesans özellikleri hedef uygulamaların gereksinimleri göz önünde bulundurularak incelenmiştir. Hem fotolüminesan malzemeler için hem de konak malzemeler için yapı-özellik ilişkileri kurulmuştur. Isıl, kimyasal ve foto dayanım özellikleri ekstrem koşullar altında incelenmiştir ve katı-hal aydınlatma, üç boyutlu ekran ve temassız sıcaklık ölçüm uygulamaları için prototip cihazlar geliştirilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması yeni nesil lüminesan cam/cam nanokompozit esaslı dalga boyu dönüştürücülerin avantajlı ve geliştirilmesi gereken özelliklerini ortaya koyarken aynı zamanda pratik uygulamalara entegrasyonunu da ele almaktadır. Elde edilen sonuçlar umut verici olmasına rağmen, bu malzemelerin ticarileşebilmesi için mühendislik bakış açısıyla gerçekleştirilecek daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır. Malzemeler her türlü mühendislik uygulamasının bel kemiğini oluşturmakta olup, performans üzerinde doğrudan etkiye sahiptir. Dolayısıyla, bu tez çalışmasının temel amacı olan yeni nesil opto-elektronik malzemelerin geliştirilmesi ve değerlendirilmesi, mevcut uygulamalarda kullanılan malzemelerinin performanslarının arttırılmasının yanı sıra özgün malzemeler kullanarak yeni uygulamaların geliştirilmesi için de gereken bilgi birikimine katkı sağlamaktadır.