Investigation of nanostructured vanadium oxides by wet chemical processing: Structural, morphological, optical, and electrochemical analysis
Sıvı-hal yöntemi ile elde edilen nanoyapılı vanadyum oksitlerin incelenmesi: Yapısal, morfolojik, optik ve elektrokimyasal analiz
- Tez No: 465414
- Danışmanlar: PROF. DR. ESRA ÖZKAN ZAYİM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Chemical Engineering, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 94
Özet
Malzeme bilimi teknolojik ilerlemeye ve hatta insanlığın gelişimine yön vermektedir. Bu sebeple tarih öncesi çağlar malzeme isimleri ile isimlendirilmişlerdir. Günümüzde, nano- ve ince film malzemeleri normal makro boyutlu malzemelerin yerini almıştır. Bu yüzden nano-yapılı (veya nano-boyutta) ve ince film malzemeler üretmek ve malzemeleri nanoboyutta işleyebilmek için nanoteknoloji olarak adlandırılan yeni bir disiplin geliştirilmiştir. Kimyasal buhar biriktirme, fiziksel buhar biriktirme, sol-jel v.b gibi pek çok ince film üretim metodu bulunmaktadır. Bunların arasında sol-jel tekniği en çok kullanılan yöntemlerden bir tanesidir. Sol-jel metodunun yaygın olmasının temel sebepleri ekonomik ve kolay olmasıdır. Sol-jel metodu ile jel olarak da adlandırılan sıvı bir çözelti elde edilir ve bu çözelti daldırarak kaplama, elektrodeposizyon, dödürerek kaplama v.b gibi tekniklerle bir alttaş malzeme üzerine ince film formunda kaplanır. Dödürerek kaplama tekniği, atomların belirli bir yönde dizilimine olanak tanımasından dolayı diğerlerine oranla daha çok tercih edilen bir yöntemdir. 1B yapıda olan nanofiberler; çok yönlülük, yüksek yüzey alanı, yüksek gözeneklilik, yüksek en boy oranı, tek yönde daha yüksek elektriksel iletkenlik vb. Gibi özelliklerinden dolayı nano-yapılar arasında en çok ilgi çeken yapılardan bir tanesidir. Elektrodöndürme yöntemi laboratuvar ölçeğinden endüstriyel üretime kadar en çok kullanılan nanofiber üretim tekniklerinden bir tanesidir. Ancak, elektrodöndürme yönteminde nihai fiberin özelliklerini etkileyen çok fazla parametre vardır. Vanadyum ve oksit yapıları ilgi çekici özelliklerinden dolayı çok uzun zamandır araştıma konusudur. Vanadyum ve oksitli yapılarını ilginç kılan temel sebepler şunlardır; vanadyumun +2'den +5'e kadar pek çok değerliğe sahip olması, ki bu özellik vanadyumun pek çok oksit formu oluşturmasını sağlamaktadır, diğer özelliği ise vanadyumun oktahedra, tetrahedral, kare piramit vb. gibi pek çok oksijen koordinasyon geometrisine sahip olmasıdır. Bu özellikler, vanadyum oksitlerin, etkileyici çeşitli yapısal ve kristalografik yapılarda olmalarını sağlamaktadır. VO2, oda sıcaklığına yakın bir sıcaktıkta, yaklaşık 70°C'de, yarı iletken – metal dönüşümü karakteristiğine sahiptir. VO2, 70°C'nin altında yarı-iletken özellikleri göstermekte iken, 70°C üzerinde metal gibi davranmaktadır. VO2'nin elektriksel, optik vb. gibi bazı fiziksel özellikleri 70°C'de büyük bir değişim göstermektedir. V2O5, katmanlı yapıdadır ve ortorombik kristal yapıya sahiptir. Katmanlı yapısı sayesinde daha çok iyonun yapıya girişine izin vermektedir. Bu sebeple, V2O5, li-ion bataryalar, sensörler, süper-kapasitörler vb. gibi elektrokimyasal uygulamalar için çok ilgi çekici bir malzemedir. V6O13 ise, V2O5'inkine benzer ancak daha düzenli bir kristal yapıya sahiptir, ve aynı V2O5 gibi katmanlı yapıya sahiptir. Bu çalışmada, 3 faklı çözeltiden/jelden 6'sı ince film yapıda, diğer 2'si nanofiber yapıda olmak üzere toplam 8 vanadyum-oksit numunesi başarı ile üretilmiştir. Bu numuneler; x-ray toz difraksiyonu (XRD), taramalı elektron mikroskopu (SEM), geçirimli elektron mikroskopu (TEM), UV-görünür bölge spekrofotometresi (UV-Vis), dönüşümlü voltametry (CV) ve elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EIS) yöntemleri ile analiz edilmiştir. Ayrıca, ısıl işlem uygulanmış numunelerin termokromik özellikleri incelenmiştir. Çözeltilerin iletkenlik, yüzey gerilimi, viskozite ve optik özellikleri araştırılarak karakterize edilmişlerdir. İlk çözelti şu şekilde hazırlanmıştır: önce 0.1 gr V2O5 tozu 4 ml %3'lük seyreltilmiş H2O2 çözeltisinde çözündürülmüş, daha sonra bu çözeltiye poly –(vinilpirolidon) (PVP) eklenerek tüm içerik çözünene kadar karıştırılmıştır. Bu çözelti kullanılarak elektroeğirme yöntemi ile nanofiber elde edilmiştir. SEM resimlerine göre yoğun bir nanofiber yapısı gözlenmektedir. Elde edilen nanofiberler; pürüzsüz ve düzgün yüzeye, yüksek en-boy oranına, ve tüm alan boyunca düzenli çapa sahiptir. Elde edilen numunede ayrıca yoğun boncuk yapısı ve görece büyük bazı damlacıklar gözlenmektedir. Boncuklu yapının oluşumu çözeltinin düşük vizkoziteye sahip olmasından, ve uygulanan voltajın yüksekliğinden kaynaklandığı düşünülmüştür. Boncuklu yapının oluşuma ihtimalinin fiber çapı küçüldükçe artıığı iyi bilinmektedir. Elde edilen nanofiberlerin çapları 15 – 240 nm arasında değişmektedir –ki bu değerler çok ince sayılır–, bunun sonucunda boncuklu yapı doğal olarak oluşmuşur. Boncuklu yapdan kurtulmak için yapılan deneylerde, nem oranının çok daha yüksek olmasından dolayı nanofiber elde edilememiştir. Ancak, çözeltinin yüksek nem oranına sahip havada hidrolize olmasından dolayı çayır-yapıda (grassland) nanorodlar elde edilmiştir. Nanorodların genişlikleri 250 – 640 nm arasında değişirken, uzunlukları 1 – 5 μm arasındadır. İlk çözelti ile ayrıca ince film de üretilmiştir. Çözelti, döndürerek kaplama tekniği ile 1500 rpm'de 2 dk döndürülerek, corning cam veye ITO üzerinde film olarak biriktirilmiştir. Film 500°C'de hava atmosferinde 1 saat boyunca kalsine edilmiştir. SEM resimlerine göre; ısıl işlem uygulanmamış film son derece pürüzsüz ve düzgün bir yüzeye sahipken, kalsinasyon işlemine uygulanınca numune üniform dağılmış gözeneklerle birlikte damar (yapraklarda bulunan) benzeri bir morfolojiye dönüşmüştür. Damar yapısı, PVP'nin yapıdan uzaklaşmasıyla oluşan gözeneklerin bölmediği bir sürekli faz gibi gözlenmektedir. Ayrıca, herhangi bir aglomerasyon, parçacık oluşumu veya çatlak gözlenmemektedir. XRD sonuçlarına göre ısıl işlem uyguanmamış film amorf yapıya sahipken, kalsinasyon işlemi ile birlikte yapıda az da olsa kristallenme olmuştur, yapıdaki PVP'nin varlığı kristallenmeyi engellemiştir. İkinci başlangıç sıvısı şu şekilde hazırlanmıştır; önce 0.1 gr V2O5 tozu 4 ml %3'lük seyreltilmiş H2O2 çözeltisinde çözündürülmüş, daha sonra bu çözeltiye 80°C'de 1 saat boyunca ısıl işlem uygulanmıştır. Isıl işlemle birlikte, çözelti hava ile hidrolize olarak polikondansasyon reaksiyonuna uğrayıp jelleşmiştir. Elde edilen jel dödürerek kaplama tekniği ile 3000 rpm'de 3 dk boyunca döndürülerek alttaş üzerine film olarak kaplanmıştır ve film 500C'de hava atmosferinde ısıl işleme maruz bırakılmıştır. SEM resimlerine göre ısıl işlem öncesinde“spindle”benzeri film yüzeyi oluşmuştur. Bu yüzeyin bohçalanmış“rod”lardan kaynaklandığı düşünülmektedir. Tavlamadan sonra ise film, düzlemsel büyümüş nanorodlu bir yapıya dönüşmüştür. Bu nanorodların genişlik ve uzunlukları sırası ile 250 – 500 nm ve 1 – 3.1 μm olarak ölçülmüştür. XRD analizine göre ısıl işlem uygulanmamış film amorf yapıda iken tavlanmış numune yüksek kristaliniteye sahiptir. Üçüncü başlangıç sıvısı ise ikinci jelin 10 gün boyunca oda sıcaklığında yaşlandırılması ile elde edilmiştir. Bu jel de yine döndürerek kaplama yöntemi ile 3000 rpm'de 3 dk boyunca döndürülerek alttaş üzerine film olarak biriktirilmiş ve hava atmosferinde 500°C'de tavlanmıştır. SEM resimlerine göre, yaşlandırılmış jelden elde edilen filmin yüzeyi diğerine oranla daha pürüzsüzdür. Bunun altında yatan sebebin, bu numunedeki bohçalanmış“rod”ların daha küçük boyutlara sahip olduğu düşünülmektedir. Tavlanmış film ise, yine düzlemsel büyümüş, aynı uzunlukta ancak biraz daha dar (210 – 340 nm arasında) ve daha pürüzsüz yüzeye sahip nanorodlardan oluşmaktadır. XRD analizine göre; ısıl işlem uygulanmış film de kristal yapıya sahiptir. Çözeltinin yaşlandırılması ile birlikte ısıl işleme gerek kalmadan kristalin film elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Material science steers the technological advancements. Even prehistoric ages are called as materials' names. Nano- and thin film materials took place of the normal/bulk materials, nowadays. Thus, in order to product nano-sized/ nano-structured materials and manipulate materials at nano scale, a new discipline is developed, which is called nanotechnology. There are many methods to produce thin films, such as chemical vapor deposition, physical vapor deposition, atomic layer deposition, spray pyrolysis, sol-gel method, etc. Among these methods, sol-gel is one of the most used method because it is economical and easy way. A wet solution, called gel, is obtained with sol-gel method, which is then deposited onto a substrate by some techniques, such as dip-coating, electrodeposition, spin-coating etc. Spin-coating technique is superior among other techniques because it leads to atomic packing in one direction. Nanofibers, which are 1D materials, are one of the most interesting materials among nanostructures due to their versatility, high surface area, high aspect ratio, high porosity, high electrical conductivity in one direction, etc. Electrospinning is most used method to produce nanofibers from lab-scale to industrial scale. However, there are many parameters effecting the characteristics of the obtained fibers in electrospinning technique. Vanadium and its oxide form has been studied for a long time due to their interesting characteristics. The reason of such great interest drawn to vanadium and its oxide forms is based on the varied oxidation states from +2 to +5 which let it form many oxide forms, and also the variability of the oxygen coordination geometries, such as octahedral, square pyramids, tetrahedral etc. These characteristics let vanadium oxides yield an impressive variety of structural and crystallographic arrangements. VO2 exhibits a semiconductor to metal transition near to room temperature, at about 70°C. V2O5 has an orthorhombic crystalline structure with a layered structure, which promises high ratio ion intercalation. Thus, it is very interesting material for electrochemical applications such as li-ion batteries, supercapacitors, sensors, etc. In this study, we prepared eight different vanadium-oxide samples (6 samples in thin-film form, and the other 2 samples in nanofiber form) from three different solutions/gels. We characterized the samples by x-ray powder diffractometer (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), UV-visible spectrophotometer (UV-Vis), cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Additionally, thermochromic properties of annealed samples were investigated. We also characterized solutions by analyzing their conductivity, surface tension, viscosity and optical properties.
Benzer Tezler
- İkili ilaç içeren nanoyapılı lipid taşıyıcıların biyouyumluluğunun incelenmesi ve melanoma tedavisi için jel formülasyonunun hazırlanması
Investigation of the biocompatibility of nanostructured lipid carriers containing dual drugs and preparation of a gel formulation for the treatment of melanoma
HANDE BALYAPAN
- Nanoyapıdaki Ni50Mn34-xCuxIn16 (x= 1.3, 1.5) Heusler alaşımlarının manyetik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of magnetic properties of nanostructured Ni50Mn34-xCuxIn16 (x= 1.3, 1.5 ) Heusler alloys
SEVDA YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. RECAİ ELLİALTIOĞLU
- Nanoyapılı ince film örneklerin, geçirmeli ve yüzey taramalı X-ışını saçılma yöntemleri (SAXS-GISAXS) ile incelenmesi
Structural investigation of nanostructured thin film samples by using transmitted and grazing incident (SAXS-GISAXS) X-ray scattering methods
BEGÜM ÇINAR BAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEMRA İDE
- Fabrication of nanostructured samples for the investigation of near field radiation transfer
Yakın alan ışınım aktarımını inceleme amacıyla nano-yapı örneklerinin üretimi
ZAFER ARTVİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. PINAR MENGÜÇ
YRD. DOÇ. DR. TUBA OKUTUCU
- Nanoyapılı iletken polimerlerin hazırlanması ve optik özelliklerinin incelenmesi
Preparation of nanostructured conductive polymers and investigation of their optical properties
SEDA POLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Kimyaİstanbul ÜniversitesiFizikokimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE ZEHRA AROĞUZ