Investigation of film forming, optical and electrical properties of AgNPs doped PS/AgNPs composites
AgNPs katkılı PS/AgNPs kompozitlerinin film oluşturma, optiksel ve elektriksel özelliklerinin araştırılması
- Tez No: 472855
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ŞAZİYE UĞUR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 104
Özet
Bu çalışmada, piren (P) etiketli lateks polistiren (PS) bazlı, gümüş nanoparçacık (AgNPs) katkılı (PS/AgNPs) kompozitlerinden damlatma metoduyla oluşturulmuş filmlerin morfolojileri, elektriksel iletkenlikleri ve film oluşum süreçleri spektroskopik analizle incelendi. Film oluşum işlemi, termal tavlama ve organik çözücü buharı olmak üzere, iki farklı metot kullanılarak takip edildi. Ayrıca bu iki farklı metot ile elde edilmiş filmlerin karşılaştırması yapıldı. Her iki deney için de öncelikle, emülsiyon polimerizasyonu ile hazırlanmış piren etiketli PS latekslerin, distile su (dH2O) ile seyreltilerek stok çözelti içindeki dispersiyonu sağlandı. Daha sonra, stok çözelti kullanılarak, çeşitli oranlarda AgNPs eklendi. AgNPs'nın dışında bir kabuk olarak kaplı poly (vinil prolidon) (PVP) sayesinde, gümüş atomları da birbiri ile etkileşime girmeden sulu çözelti içinde kolayca dağılabilen bir formdaydı. Bu yüzden AgNPs'nın homojen dağılabilmesi için ekstradan bir yüzey aktif maddeye ihtiyaç kalmadan, sadece mekanik karıştırmayla stok çözelti içine dispersiyonu sağlandı. Farklı oranlarda elde edilen PS/AgNPs kompozit çözeltileri, damlatma metodu olarak bilinen ve basitçe, damlatılan yüzeyi özdeş çözelti damlalarıyla kaplamayı sağlayan yöntem ile cam plakalar üzerine damlatıldı. Cam plaka üzerindeki kompozit çözelti içindeki suyun buharlaşması için 1 gün beklendi. Su buharlaştıktan sonra lateks parçacıkların doğasından kaynaklı olarak toz filmler elde edildi. Her bir film için ayrı ayrı inceleme yapıldı. İlk deneyde tavlama ile oluşturulmuş filmler elde edildi. Her bir film farklı oranlarda AgNPs katkısı içerecek şekilde, %0, %1, %3, %5, %10, %20, %30, %40 ve %50 AgNPs oranına sahip 9 farklı film hazırlandı. Kullanılan PS polimerinin camsı geçiş sıcaklığı (Tg) olan 105 °C'nin altındaki bir sıcaklıktan başlayarak ve sıcaklığı 10'ar 10'ar arttırarak 100 °C'den 280 °C 'ye kadar kompozit filmler tavlandı. Her bir sıcaklık değeri için bu filmlerin, floresans ışık şiddeti, transparanlık ve floresans yaşamömrü ölçümleri alındı. Floresans ölçümleri için kararlı durum floresans (SSF), transparanlık ölçümleri için foton geçirkenlik (UVV) ve floresans yaşamömrü ölçümleri için hızlı zaman ayrışımlı floresans (FTRF) teknikleri kullanıldı. Bu ölçümler, 100-280 °C aralığındaki her bir sıcaklık değeri için ayrı ayrı alındı ve minimum film oluşturma sıcaklığı (T0), filmin kaynaşma sıcaklığı (Th) ve floresans artış sıcaklığı (Te) gibi parametreler her kompozit film için ayrı ayrı belirlendi. Metal yüzeylerin floresans şiddeti üzerine olası etkilerinden biri olan floresans artışı etkisi özellikle %3-20 aralığında AgNPs içerikli kompozit filmler için gözlendi. Floresans şiddeti (Ip) - sıcaklık grafiklerinde gümüş oranı arttıkça, floresans şiddetlerindeki Gaussiyenimsi davranışın yerini daha keskin piklerin aldığı gözlendi. Bir başka deyişle, bu grafiklerdeki pik noktalarına denk gelen sıcaklık noktasına (Th) daha ani sıçramalar olduğu saptandı. Gümüş oranı arttıkça, Ip - sıcaklık grafikleri, saf PS film ile kıyaslandığında daralmaya başlamaktadır ve daha keskin pikler görülmektedir. Floresans artışını daha iyi gözlemleyebilmek için, floresans artışı (Ienc) - konsantrasyon grafiği çizildi. Floresans artışı, gümüş katkılı filmlerin saf PS'den elde edilen filmlere göre floresans şiddetinin oranlanması ile elde edildi (Ip/(Ip)pure). Özellikle filmlerin Th değerlerine yakın olan 230 °C'de, %3-20 AgNPs katkılı filmlerin floresans şiddetlerinin, saf PS filme göre 2.5 ile 4 kat daha yüksek olduğu belirlendi. Her bir film ve her tavlama sıcaklığı için ayrı ayrı transparanlık ölçümleri alındı. Beklendiği gibi AgNPs katkısı arttıkça, film transparanlıklarında azalma gözlendi. Buna rağmen %0-10 AgNPs katkısı aralığındaki filmlerin transparanlık değerleri %50'nin üzerinde bulundu. Floresans yaşamömrü ölçümleri de yine her tavlama sıcaklığı için ayrı ayrı hesaplandı. Yaşamömrü değerlerinin belirli bir sıcaklığa kadar sabit kaldığı ve yüksek sıcaklıklarda düşüşe geçtiği gözlendi. Yaşamömrünün düşüşe geçmeye başladığı sıcaklığın (Te), aynı zamanda floresans şiddetindeki artışın başladığı sıcaklığa denk geldiği saptandı. Bu durumda, metalik bir yüzey olan AgNPs'nın floresans artışına yol açtığı FTRF tekniği kullanılarak da desteklendi. Film oluşumuna teorik yaklaşım olarak boşluk kapanma (Void closure) ile kaynaşma ve interdifüzyon (Healing and interdiffusion) modelleri kullanıldı. Bu iki modelin teorik altyapısına uygun olacak şekilde deneysel sonuçlar değerlendirildi ve teoriyle ilişkili olan grafikler çizilerek yeni veriler elde edildi. Elde edilen verilerden, omurga (backbone) aktivasyon enerjisi ve viskoz akış aktivasyon enerjisi de her bir film için belirlendi. Özellikle %3-20 AgNPs katkılı filmlerin omurga aktivasyon enerjileri (△E) değerlerinin, floresans artışında 230°C'de gözlenen davranışın aynısını sergilediği görüldü. %3-10 arasında bu enerji değerleri yükselirken, %10'dan %20 ye geçerken yeniden azaldığı; fakat saf PS'ten elde edilmiş filme göre daha yüksek aktivasyon enerjisine sahip olduğu gözlendi. Ayrıca iki prop metodu kullanılarak her filmin elektriksel iletkenlikleri de ölçüldü. Kompozit filmlerin tümü, yükselen AgNPs içeriğine göre yaklaşık 4 kat artmasına rağmen, dielektrik malzeme olarak belirlendi. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri alınarak, filmlerin morfolojileri de ayrı ayrı incelendi. Tavlanmamış, 200 °C'de tavlanmış ve 280 °C'de tavlanmış filmlerin görüntüleri kıyas yapılarak incelendi. Lateks polimerden elde edilmiş filmler, tavlanmamışken küresel parçacık olarak görünürken, 200 °C'de bu küresel formu kaybettiği ve 280 °C'de ise parçacık arası boşlukların tamamen kapandığı gözlendi. Özellikle %0-20 aralığı için düzgün ve sürekli film oluştuğu gözlendi. %20 AgNPs oranının üstündeki filmlerin morfolojilerinde yer yer AgNPs topaklanmaları gözledi. İkinci deneyde, film oluşturma metodu olarak çözücü buharı kullanıldı. Bu kez %0, %1, %5, %10, %20, %30 ve %50 olmak üzere 7 farklı AgNPs katkılı film hazırlandı. Hazırlanmış olan filmler bir kuartz küvetin içine dik bir şekilde tutturulup sabitlenerek ve küvete ayrıca PS için kuvvetli bir çözücü olan kloroform ve zayıf bir çözücü olan heptan organik çözücüleri eşit oranlarda eklenerek deney düzeneği hazırlandı. Kimyasalların direkt olarak filme temas etmeden, sadece aynı küvetin içinde bulunarak, salınan kimyasal buharın film üzerine oluşturduğu etkiler incelendi. Eklenen kimyasalların buharlarının etkisiyle çözünen kompozitlerin film oluşum süreçleri foton geçirgenlik (UVV) ve floresans yaşamömrü (FTRF) ölçümleriyle takip edildi. UVV test sonuçlarına bağlı olarak, %0-20 AgNPs katkılı kompozit filmler %85'in üzerinde ışık geçirgenliğine sahip olarak transparan olarak belirlendi. %20'nin üzerindeki filmler ise %55 üzerinde bir ışık geçirgenliğine sahip olup, yarısaydam olarak belirlendi. Filmlerdeki AgNPs katkısı arttıkça, çözücü buharının da daha kısa sürede filmin içine difüz edip, filmlerin transparanlığındaki satürasyon değerine daha kısa sürede ulaşmasını sağladığı gözlendi. Yani, AgNPs oranı arttıkça, film oluşum hızında da artışlar görüldü. %1 AgNPs katkılı filmin transparanlığının satürasyon değerine yaklaşık 8 dakika ulaştığı gözlemlenirken, %50 AgNPs katkılı filmin sadece 2 dakikada bu değere ulaştığı gözlemlendi. Floresans yaşamömrü ölçümlerinde ise, buhara maruz kalma süresi arttıkça ışık şiddetinde azalma görüldü. Bir başka deyişle, organik buhar filmin içine difuz ettikçe, floresans şiddetinde çok keskin bir düşüş yaşandı. Işık şiddetinin yanısıra, her bir filmde bulunan pirenin yaşamömrünün de düştüğü gözlendi. Dolayısıyla, çözücü kimyasalların hem yaşamömrünü hem de floresans şiddetini düşürerek, bir floresans sönümleyici olarak davrandığı saptandı. Öte yandan optik geçirgenlik ve yaşamömrü deneylerinden elde edilen verilerle, de Gennes'in sürüngen (reptation) modeline uygun olarak sürünme frekansları belirlendi. Yaşamömrü ölçümlerinin floresans sönümleme teorik altyapısına uyarlanmasıyla B sürünme frekansları, optik geçirgenlik testlerinin sürüngen modelinin teorik altyapısına uyarlanması ile R sürünme frekansları elde edildi. Bu frekans değerlerinin her iki deneyde de aynı davranışı göstererek %10' a kadar düşüş yaşadığı ve bu değerden sonra tekrar artmaya başlandığı gözlendi. Artan frekans değerleri, %10'un üzerindeki değerler için AgNPs topaklanmaları olduğunu göstermektedir. Buhara maruz kalmış her bir film için yine elektriksel iletkenlik ölçümü iki prop metoduyla alındı. Film oluşumu tamamlandıktan sonra alınan ölçümlere göre, filmlerin elektriksel iletkenlikleri 103 kat artmış olarak gözlendi. Buna rağmen, filmler yine de dielektrik malzeme olarak belirlendi. Film morfolojilerini incelemek için yine SEM görüntüleri analiz edildi. Yine bu metotta da, klasik lateks film oluşumunun başarıyla gerçekleştiği gözlendi. Sürünme frekanslarını destekleyici sonuç olarak, bu görüntülerde de %10'a kadar düzgün ve sürekli film görünürken, bu orandan sonrası için yer yer AgNPs topaklanmaları gözlendi. AgNPs oranı arttıkça topaklanmaların da ayrıca arttığı gözlendi. Bu topaklanmalar, morfolojiye negatif bir etki yaratsa da, AgNPs'nin birbirine yaklaşması sonucu elektriksel iletkenliğin 103 mertebesinde artmasını açıklamaktadır. Sonuç olarak, iki farklı deneysel çalışma ile elde edilmiş kompozit filmlerin, film oluşum süreçleri incelendi. Deneylerin birinde metalik yüzey etkisi ile floresans artışı gözlenirken, diğerinde buhar etkisiyle floresans sönümleme gözlendi. Kimyasal buhar ile elde edilmiş filmlerin, tavlama ile elde edilmiş filmlere göre açıkça daha transparan olduğu görüldü. Buhar etkisi ile elde edilen filmlerde, %0-20 arası AgNPs katkısı aralığında transparanlık %105-92 arasında değişirken, yine aynı aralıkta tavlama ile elde edilen filmlerde transparanlık %44-85 arasında saptandı. Elektriksel iletkenlik olarak da yine kimyasal buhara maruz kalmış filmlerin daha iletken olduğu gözlense de, her iki deney ile elde edilmiş filmlerin dielektrik malzemeler oldukları belirlendi. Elektriksel iletkenlik artışının çok fazla olmamasının sonucunu AgNPs'nin çevresindeki PVP kabuğuna bağlamak mümkündür. Gümüş atomlarını küresel formda tutabilmek için kullanılan ve bir kabuk gibi gümüş çekirdeği çevreleyen PVP, gümüş atomlarının çevresinde bir yalıtkan gibi davranarak elektriksel iletkenliğin dielektrik sınırından çıkmasına engel olmuştur. Bunu desteklemek için saf gümüşten (%100 AgNPs) elde edilen filmin iletkenliği de ayrıca ölçülmüş olup, yine dielektrik malzeme olarak belirlenmiştir. Dolayısıyla, yalıtkan PVP polimeri ile kaplanan AgNPs'nin düşük iletkenlik değerleri büyük ölçüde PVP polimerinden kaynaklanmaktadır. Film morfolojileri için yapılan SEM analizlerine göre, iki yöntemde de klasik lateks film oluşumu gözlendi. Morfolojideki topaklanmalar çözücü buharıyla elde edilmiş filmler için %10'luk AgNPs katkısından sonra başlarken, tavlama ile elde edilen filmlerde %20'den itibaren başladığı görüldü. Kullanılan ilk metodun, metal katkılı kompozit filmler için yeni bir bakış açısı niteliğinde olduğunu düşünmekteyiz. Emisyon şiddetine metal etkisi gözlendiğinden, gelecek jenerasyonlar için akıllı floresan (fluorescent) polimerler ve ışıldayan (luminescent) plastikler için, tavlama metodunun basit ve etkili bir metot olduğu sonucuna varıldı. İkinci deney sonuçlarından da, kimyasal buharın bir floresans sönümleyici olarak davrandığı, ayrıca film oluşumunu ve film morfolojisini doğrudan etkilendiği gözlemlendi. İlk deneyi de destekleyici bir sonuç olarak, kompozitlerdeki AgNPs oranının, elektriksel iletkenliği, film transparanlığını ve film morfolojisini etkilediği açıkça görüldü. Her iki yöntemin de ucuz ve zahmetsiz olması, sanayide de kullanılabilir olduklarını gösterdi.
Özet (Çeviri)
In this study, film formation behavior of pyrene (P) labeled polystyrene (PS) based and silver nanoparticles (AgNPs) doped composite films were investigated by using two different film formation methods such as thermal annealing and exposuring to solvent vapor. In order to understand the effects of mass fraction of AgNPs on film formation, nine different powder films were prepared by using drop casting method and each film contains different amount of AgNPs in the range of 0-50 wt%. All powder films were prepared at the room temperature. In the first experiment, all of powder films were annealed at various temperatures between 100 °C and 250 °C with 10 °C temperature increment separately. After each annealing step, steady state fluorescence (SSF) technique, fast transient fluorescence (FTRF) technique and photon transmission (UVV) technique were used in order to monitor film formation process. The classical latex film formation is observed in the range of 0-30 wt% of AgNPs content. In this range, film transparencies are found between 40-85%. Above this range, instead of continous films, partially film formation is seen and transparency of films decreased drastically with increasing AgNPs content. Fluorescence enhancement and reduced lifetime were also observed with increasing AgNPs content in the range of 3-20 wt% due to the to interactions between the pyrenes and the electron plasma in nearby silver nanoparticles. Scanning electron microscobe (SEM) images were also taken to compare optical data with film morphology. The SEM results is shown as compatible with the optical observations. Electrical conductivity of the films were also measured by using two probe method which is used to measure surface resistivities (Rs) of the films. The surface resistivity was converted into surface conductivity () using the relation (S)=1/Rs (). It is seen that incereasing AgNPs content did not alter so much the conductivities of the films. All films were determined as dielectric materials. In the second experiment, seven different powder films including 0, 1, 5, 10, 20, 30, 50 wt% of AgNPs content were used in order to obtain continous films by using chemical vapor deposition method. The film formation process were monitored by using FTRF and UVV techniques. It is seen that solvent vapor acts as a fluorescence quencher and successfully induce the latex film formation process. In the range of 0-20 wt% of AgNPs content, films were found transparent (above 85% transparency). Above this range, translucent films were obtained. It is observed that lifetime of P also decreased with increasing vapor exposure time. Thus, the quenching effect of organic solvent is verified due to FTRF data. Also reptation frequencies from UVV and FTRF data were calculated by using de Gennes' reptation model. For both techniques, reptation frequencies first decrease up to 10 wt% of AgNPS, then starts to increase. In order to support our optical data, a comparison were made between these results and the SEM images of the films. It is shown that the solvent vapor not only affects the film formation of the films, but also controls the morphology of the films. Above 10 wt% of AgNPs content, aggregations are seen on the film morphology. So that, istead of continous film, partially film formation is observed above this ratio. This results were found consistent with the optical data according to behavior of reptation frequencies. Electrical conductivity of the films were also measured. Altough the conductivity of composites were showed an increase of 3 orders of magnitude with increasing AgNPs content, the obtained films were found still as dielectric materials. To sum up, the properties of composite films were compared according to their film formation methods. As it is clearly seen from experimental results, vapor exposured films were found more transparent then annealed films. Altough the electrical conductivity of vapor exposured films were higher, all films were found as dielectric materials. According to SEM images, classical latex formation process is occured for both experiments. The findings of first experiment potentially provide a new approach for studying the film formation process of metal doped polymer composites. In this respect, this work presents a simple and efficient method for modulating the emission intensities of luminescent plastics and for the next generation of smart fluorescent polymers. Second experiment also supported the effects of AgNPs on transparency, conductivity and morphology of the films. Both methods are cheap and easy to apply. It can be said that, these methods are also appropriate for industrial applications.
Benzer Tezler
- Organik yarıiletken tabanlı fotovoltaik aygıtlar için şekilli ince film altlıkların kullanımı ve etkilerinin incelenmesi
The effect of the usage of sculptured thin film substrates for organic semiconductor based photovoltaic devices
DİLEK DEMİROĞLU
Doktora
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
DR. ÖĞR. ÜYESİ BEYHAN TATAR
- Gama ışınlarına maruz kalmış ZrO2 ince filmlerin karakterizasyonu
The characterization of ZrO2 thin films irradiated with gamma radiation
DEFNE ABAYLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- Sol-jel yöntemiyle elde edilen bor katkılı ZnO ince filmlerin yapısal, optiksel ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi
The investigation of structural, optical and electrical properties of bor doped ZnO thin films deposited by sol-gel method
GÖKNİL BABÜR
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Fizik ve Fizik MühendisliğiGaziosmanpaşa ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UĞUR KÖLEMEN
PROF. DR. GÜVEN ÇANKAYA
- Tellürit sistemlerin camlaşma davranışlarının,cam özelliklerinin ve termokromik davranışlarının incelenmesi
Investigation of glass formation behavior, glass properties and thermochromic behavior of tellurite systems
MİRAY ÇELİKBİLEK
Doktora
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜHEYLA AYDIN
- Si üzerinde oluşturulan metal ince filmin (Au) elektrik ve optik özelliklerinin incelenmesi
Formation of metal thin film on Si (Au), investigation of its elektrical and optical properties
ERSİN YÜCEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Fizik ve Fizik MühendisliğiUludağ ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YÜKSEL BEKTÖRE