Geri Dön

Color tunable upconversion based white light properties of er-Tm-Yb phosphors and pmma nanocomposites

Er-Tm-Yb fosfor ve polimer nanokompozitlerde renk ayarlanabilir üst dönüşüm esaslı beyaz ışık özellikleri

PDF İndir

  1. Tez No: 539383
  2. Yazar: SEVCAN TABANLI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. GÖNÜL ERYÜREK
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 268

Özet

Ekranlar, lazerler, floresans aydınlatmalar, güneş hücreleri, optoelektronik cihazlar ve biyolojik görüntüleme uygulamalarının kalbi olan fosforlara ilgi gün geçtikçe artmakta ve daha iyi ışıma özelliklerine sahip yeni malzemelerin üretimi vazgeçilmez bir hal almaktadır. Yeni malzeme üretimindeki bu ilgi, nanobilimin ve nanoteknolojinin giderek gelişme göstermesi sonucunda, daha verimli nanofosforların üretilmesine olanak sağlamaktadır. Kuantum noktalardan daha az toksik olmaları, birçok farklı katkı iyonu-konak bileşimi şeklinde üretilebilir olması, keskin emisyon çizgileri, tek dalga boyu uyarımı ile çok renkli emisyon kabiliyeti, yüksek renk saflıkları, yüksek kimyasal ve ışık kararlılığı, yayılan ışığın uzun ömürlü olması lantanit katkılı fosforlara olan ilgiyi oldukça arttırmıştır. Lantanit katkılı fosforlar, görünür bölgedeki emisyonları ile ışık yayıcılar, ekranlar, termal sensörler ve tıbbi-biyolojik uygulamalarda, yakın-kızılötesi emisyonları ile de lazerler, optik yükselteçler ve telekomünikasyon alanında geniş uygulamalarda kullanılabilmektedir. Lantanit katkılı fosforların üstün özellikleri birçok bilim dalından araştırmacının ilgisini çekmekte olup, kimyagerler, fizikçiler, biyologlar ve malzeme bilimcilerinin ortak çabası, lantanit katkılı fosforların birçok yeni uygulama alanı için kullanımını genişletebilmektir. Bu amaçla, lantanit iyonlarının üstün ışıma özellikleri ile polimerlerin üstün dayanım ve optik özelliklerinin birleştirilmesi, oldukça ilgi çekici ve gelecek vaat eden çalışmalar arasındadır. %92 optik geçirgenlik, yüksek lazer dayanımı, sert, dayanıklı, hafif, termoplastik, çevre dostu, kolay sentezlenebilir ve kararlı bir polimer olma özelliklerinden dolayı polimetil(metakrilat) (PMMA) bu çalışmalar için oldukça uygun bir polimerdir. Bu tez çalışması, nadir toprak iyonlarının nanokristalin tamamını oluşturduğu (tamamen konsantre) (RE2O3 RE: Er, Yb, Nd) ve içerisine farklı konsantrasyonlarda (kısmen konsantre) nadir toprak iyonu (Yb3+, Er3+, Tm3+) katkılandırılmış olan itriyum oksit (Y2O3) nanokristallerinin sentezlenmesi, yapısal - morfolojik karakterizasyonu, spektroskopik özelliklerinin ve aydınlatma renk kalite parametrelerinin (CIE-1931 koordinatları, CRI ve CCT) incelenmesini kapsamaktadır. Sentezlenen tüm nanokristaller, aljinat jellerinin termal bozunması yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Sentezi 500oC'de gerçekleştirilen nanokristallerin bir kısmı 800oC'de 24 saat tavlanmış ve tavlamanın etkisinin kristal boyutu ve emisyon özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Ayrıca tavlanan nanokristaller serbest radikal polimerizasyonu yöntemi ile PMMA içerisine gömülerek, nanokompozit yapıda polimer numuneler oluşturulmuştur. Bu tez çalışmasının temel amacı, toz formunda sentezlenen nanokristallerin (tavlanmış/tavlanmamış) ve polimer nanokompozit formda sentezlenen malzemelerin yapısal, morfolojik, luminesans özelliklerinin ve renk kalite parametrelerinin karşılaştırılarak incelenmesidir. Toz formunda ve polimer nanokompozit formunda sentezlenen numunelerin yapısal karakterizasyonu X-ışını kırınımı tekniği (XRD) ve geçirmeli elektron mikroskobu (TEM) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. XRD analizi ile elde edilen kırınım deseninden, sentezlenen malzemelerin kristal fazı ortaya konmuştur. Sentezlenen Er2O3, Yb2O3, Y2O3 kristallerinin kübik, Nd2O3 kristalinin ise hegzagonal fazda olduğu ve ana faz dışında başka herhangi bir faz içermediği gözlenmiştir. Farklı oranlarda nadir toprak iyonunun Y2O3 nanokristaline katkılandırılmasıyla sentezlen ikili ve üçlü katkılı numunelerde, katkı iyonların iyonik yarıçapının, itriyum iyonunun iyonik yarıçapına oldukça yakın olmasından dolayı, katkı iyonları itriyum iyonu ile yer değiştirdiği ve faz yapısının bozulmadığı, Y2O3 kristalinin kırınım piklerinin aynı şekilde kaldığı görülmüştür. Polimer nanokompozit formundaki numunelerin XRD desenlerinde ise polimerden kaynaklanan amorf bir kambur üzerinde katkı nanokristallerinin kırınım pikleri gözlenmiştir. Sentezlenen nanokristallerin polimer içerisine gömülmesi ile kristal fazlarında herhangi bir değişiklik olmadığı görülmüştür. Scherrer eşitliği ve Pielaszek yöntemleri kullanılarak ortalama kristal boyutu ve kristal boyut dağılımı hesaplanmıştır. Toz formundaki nanokristaller ile kıyaslandığında, polimer nanokompozit örneklerin kristal boyutunun daha küçük olduğu gözlenmiştir. 500oC'de sentezlenmiş nanokristaller, 800oC'de tavlanmış nanokristaller ve tavlanmış nanokristallerin PMMA içerisine gömülmesi ile oluşturulan polimer nanokompozitlerin tanecik boyut dağılımı karşılaştırıldığında; tavlamanın kristal boyutunu arttırdığı ve dağılımı genişlettiği, polimer içerisine gömmenin ise kristal boyutunu küçülttüğünü ve dağılımı daraltarak parçacıkların boyutunun birbirine daha yakın olmasını sağladığı gözlemlenmiştir. Toz formunda ve polimer nanokompozit formunda sentezlenen numunelerin morfolojik karakterizasyonu geçirmeli elektron mikroskobu (HR-TEM, C-TEM) kullanılarak yapılmıştır. Toz formundaki numuneler için yüksek çözünürlüklü geçirmeli elektron mikroskobu kullanılırken (HR-TEM), polimer nanokompozit numuneler için yüksek kontrastlı geçirmeli elektron mikroskobu (C-TEM) kullanılmıştır. C-TEM, polimer numunelerin elektron demeti tarafından hasara uğrama ihtimalini düşüren en iyi yöntem olduğundan tercih edilmiştir. Elde edilen resimlerin piksel kalibrasyonu ImageJ programı kullanılarak yapılmış, parçacık boyutu ve aynı Miller indislerine sahip paralel düzlemler arasındaki mesafeler bu program kullanılarak hesaplanmıştır. Ayrıca her bir numune için 100 parçacık üzerinden ortalama tanecik boyutu hesaplanarak, tanecik boyutu dağılımı hesaplanmıştır. TEM ile elde edilen sonuçlar, XRD kullanılarak elde edilen sonuçlar ile oldukça uyumlu olmakla birlikte, toz formundaki nanokristaller ile kıyaslandığında, polimer nanokompozit örneklerin sahip olduğu kristal boyutunun daha küçük olduğu gözlenmiştir. Sentezlenen malzemelerin luminesans özelliklerinin ve renk kalite parametrelerinin (CIE-1931 koordinatları, CRI ve CCT) belirlenmesi amacıyla, yakın-kızıl ötesi bölgesinde (808 nm/975 nm) sürekli lazer uyarması altında emisyon spektrumları alınmıştır. Kırmızı, yeşil ve mavi renkli emisyonların uygun oranlarda birleşmesi ile elde edilen beyaz ışık emisyonun elde edilebilmesi için Er3+ iyonunun yaydığı yeşil (2H11/2+4S3/2-4I15/2) ve kırmızı (4F9/2-4I15/2) emisyondan, Tm3+ iyonunun yaydığı mavi (1G4-3H6) emisyondan faydalanılmıştır. Çalışma boyunca kullanılan Yb3+ iyonu ise, yakın-kızılötesi (975 nm) ışığı kolayca absorblaması (2F7/2-2F5/2) ve enerjisini diğer iyonlara aktararak köprü görevi görmesi sebebiyle tercih edilmiştir. Çalışmanın ilk kısmında sadece Er3+ iyonu içeren Y2O3 nanokristallerin ve polimer nanokompozitlerin yapısı, morfolojisi ve optik özellikleri incelenmiş daha sonra ikili ve üçlü katkılı malzemeler incelenmiştir. %3 Yb3+, %0.1 Yb3+ iyonu içerecek şekilde sentezlenen nanokristallerde, Er3+ iyonu (%0, %0.05, %0.10, %0.15, %0.25, %0.35, %0.50, %0.75, %1 ve %2) gibi değişken oranlarda katkılandırılmıştır. Görünür bölge emisyonlarının ve renk kalite parametrelerinin, Er3+ iyon konsantrasyonuna ve lazer uyarma gücüne bağlı olarak değiştiği gözlenmiştir. Er3+ iyon konsantrasyonu arttıkça, katkı iyon etkileşimlerinin baskın hale geldiği ve çapraz rahatlama yolu ile konsantrasyon sönümlemesi etkisinin ortaya çıkması sonucu, gözlenen yeşil emisyon azalırken, kırmızı emisyonun arttığı görülmüştür. Böylece soğuk beyazdan sıcak beyaz renklere doğru kaymanın, Er3+ iyon konsantrasyonunun değiştirilmesiyle elde edilebileceği görülmüştür. Tavlanmış nanokristallerde, tavlanmamış nanokristallere kıyasla daha şiddetli ve emisyon profilinin değişmediği emisyon spektrumları elde edilmiştir. Bu sonuç kristal boyutunun büyümesi ile açıklanabilir. Toz formundaki nanokristal numunelerle kıyaslandığında, polimer nanokompozit numunelerde renk stabilitesinin oldukça sağlam olduğu ve lazer uyarma gücü ile değişmeyen emisyonlar ve renk kalite parametreleri elde edildiği gözlenmiştir. Böylece, bu tez çalışmasında sentezlenen optik olarak aktif polimer nanokompozitlerin, renk stabilitesinin çok önemli olduğu fotonik uygulamalar için iyi adaylar olabileceği söylenebilir. Tez çalışması kapsamında daha çok polimer nanokompozit formundaki örneklere yer verilse de toz formundaki nadir toprak nanokristallerinin yapısal, morfolojik ve spektroskopik özellikleri de incelenmiştir. Bu çalışmanın amacı tamamen konsantre nadir toprak nanokristallerinin değişken ortam basınçlarındaki spektroskopik özelliklerinin incelenmesidir. Polimer nanokompozit formundaki yapıların ortam basıncından çok etkilenmeyeceği düşünülerek, bu çalışmada toz formundaki numunelere öncelik tanınmış ve ölçümler Amerika - Boston College, Spektroskopi Laboratuvarı'nda alınmıştır. Toz formundaki, tamamen konsantre nadir toprak nanokristallerinin (RE2O3 RE: Er, Yb, Nd) görünür bölge emisyonları, aydınlanma-bozunma desenleri, renk kalite parametreleri iki farklı ortam basıncında (1 atm ve 0.03 mbar) ölçülmüştür. Tamamen konsantre nadir toprak nanokristalleri atmosferik basınç altında geniş-bant beyaz ışık emisyonu yayarken, vakum ortamında (0.03 mbar) geniş-bant beyaz ışık emisyonuna ek olarak ilgili nadir toprak iyonunun (RE3+) üstdönüşüm emisyon çizgilerinin de varlığı gözlenmiştir. Basıncın bu etkisinin, optik olarak aktif olan nadir toprak iyonunun tamamen konsantre olmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Düşük basınç ortamında, beyaz ışık emisyonunun oluşum eşiğinin daha düşük olduğu ve düşük lazer uyarma gücü altında bile kolayca geniş-bant beyaz ışık emisyonunun oluştuğu gözlenmiştir. Ölçülen renk kalite parametreleri sonucunda, atmosfer basıncı ortamındaki tamamen konsantre nadir toprak nanokristallerinin yakın-kızılötesi uyarması altında mükemmel beyaz ışık kaynağı olarak düşünebileceğini göstermektedir. Düşük basınçta ise geniş-bant beyaz ışık emisyonuna eşlik eden anti-Stokes' tipi emisyonlar beyaz ışığın kalitesini olumsuz yönde etkilemektedir. Bu tez çalışmasının kapsamı içerisinde olmayan ancak lisans bitirme projesi ile başlayıp, bizi oldukça heyecanlandırdığı için üzerinde çalıştığımız ve güzel sonuçlar aldığımız, Er3+ ve Er3+/Yb3+ katkılı çinko-tellür camlarının sıcaklık algılama özelliklerinin incelendiği bölüm, bugüne kadar bu cam ile çalışılmış başka bir sıcaklık sensör çalışması bulunmadığından, tez çalışmasına ekstra bir bölüm olarak eklenmiştir. Sıcaklık hassasiyeti (120x10-4 K-1), diğer cam malzemelere göre çok daha yüksek bulunan çinko-tellür camları optik termometre uygulamaları açısından oldukça uygun olan malzemelerdir. Geleneksel eriyik-çökeltme yöntemi ile sentezlenen Er3+ ve Er3+/Yb3+ katkılı çinko-tellür camlarının spektroskopik özellikleri; absorpsiyon (200-1100 nm), lüminesans spektroskopisi (450-1700 nm) yöntemleri ve renk kromatiklik koordinatlarının (CIE-1931) ölçülmesi ile belirlenmiştir. Ayrıca, 975 nm'lik yakın-kızılötesi lazer uyarması altında sıcaklığa bağlı görünür bölge emisyonları 304-443 K arasındaki sıcaklıklarda ölçülmüştür. Er3+ iyonunun 2H11/2 ve 4S3/2 enerji seviyelerinden gelen floresans şiddet oranları kullanılarak, camların hassasiyet eğrileri oluşturulmuştur. Sonuç olarak, Yb3+ iyonunun varlığında maksimum hassasiyetin 1.7 kat arttığı ve çinko-tellür camının diğer tellür, fosfat ve silikat camlarına kıyasla çok daha hassas bir malzeme olduğu gözlenmiştir. Bu sonuçlar, Er3+/Yb3+ katkılı çinko tellür camlarının, optik sıcaklık algılama uygulamaları için umut verici materyaller olduğunu öne sürmektedir.

Özet (Çeviri)

The main focus of this thesis is to compare the structural, morphological, luminescence and color chromaticity parameters of the nanocrystals (as-synthesized and/or annealed) and doped polymeric nanocomposites. By considering these features, determination of the most appropriate photonic application is an another purpose of the thesis. Hence, the present research includes the synthesis, structural - morphological characterization, spectroscopic properties and color chromaticity parameters (CIE-1931 coordinates, CRI and CCT) of the fully concentrated rare oxides (RE2O3 R: Er, Yb, Nd) and yttrium oxide (Y2O3) nanocrystals doped with various concentration of rare earth ions (Yb3+, Er3+, Tm3+) (partially concentrated). All the nanocrystals were synthesized using the thermal decomposition method which is based on the thermal decomposition of the alginate gels. The synthesis procedure was realized at 500oC, and some of the nanocrystals were annealed at 800oC for 24 hours, and thus the effect of annealing on structural properties (crystallite size, crystalline phase) and optical properties (emission characteristics, color qualities) were investigated. The structural characterization of the synthesized samples in powder form and in the form of polymer nanocomposites was performed using X-ray diffraction technique (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). From the diffraction patterns obtained by XRD analysis, the crystalline phase of the synthesized materials was revealed. It was observed that the crystal phases of Er2O3, Yb2O3, Y2O3 were found to be cubic, and crystal phase of Nd2O3 was determined to be hexagonal and these crystals did not contain any other phase than the main phase. For the partially concentrated Y2O3 nanocrystals, the positions and the shapes of the diffraction peaks were found to be the same for all the RE3+ concentration, indicating that neither the concentration nor the presence of the rare earth ions affected the crystal phase. In the XRD patterns of the polymer nanocomposites, the diffraction peaks are matching well with that of cubic phase of Y2O3. A typical amorphous hump was observed for the PMMA nanocomposites. Using the Scherrer equation and Pielaszek methods, the mean crystallite sizes and grain size distributions were calculated. For polymer nanocomposite samples, the average crystallite sizes were calculated after the curve deconvolution of the crystal diffraction peaks from the amorphous hump arises from the polymer. The morphological characterization of the nanopowders and polymer nanocomposites was performed using transmission electron microscopy (HR-TEM, C-TEM). Pixel calibration of the obtained images was made by using the ImageJ software, the particle sizes and interplanar (d-) spacings were determined. Furthermore, the particle size distributions were also calculated by calculating the mean particle size over 100 particles for each sample. The emission spectra were taken under continuous laser stimulation in the near-infrared region (808 nm/975 nm) in order to determine the luminescence properties and color chromaticity parameters of the samples. White emission can be obtained by combination of the proper amount of primary color (red, green and blue) emissions. The blue emission of Tm3+ (1G4-3H6), the green (2H11/2+4S3/2-4I15/2) and red (4F9/2-4I15/2) emissions of Er3+ were utilized to obtain white emission. The Yb3+ used during the study acted as a sensitizer and enrich the population of all the emitting levels via transferring their absorbed energy to the activator ions. For triple doped Y2O3 nanocrystals, the concentrations of Tm3+ and Yb3+ ions were fixed at 0.1% and 3.0%, respectively, while the concentration of Er3+ was varied from 0 to 2.0%. Relative emission intensities of red, green and blue colors were significantly affected by the Er3+ concentration as well as the excitation power density of 975 nm laser light. A careful color tuning from cool to warm white light in Y2O3 : Er3+/Yb3+/Tm3+ phosphors was achieved by controlling the doping concentration of Er3+ ions. This process is due to the cross relaxation and energy transfer processes among Er3+ ions. In addition to this, enhanced emission intensity was achieved by the annealing process of the nanophosphors. Compared to nanopowder samples, upconversion emissions and color coordinates of polymer nanocomposites have not been affected by the excitation power indicating an appreciable color tuning stability is achieved. Thus this new class of optically active polymer nanocomposites can be good candidates for photonic applications where color stability is crucial. Although the polymer nanocomposite samples were mostly included in the thesis study, the structural, morphological and spectroscopic properties of fully concentrated rare earth nanocrystals in powder form were also investigated. The study aims to investigate the spectroscopic properties of fully concentrated rare earth nanocrystals at variable ambient pressures, and these measurements were taken at the Spectroscopy Laboratory in Boston College - USA. The optical region emissions, decay-rise patterns, color chromaticity parameters were measured at two different ambient pressures (1 atm and 0.03 mbar). Under monochromatic infrared light excitation (808 and 975 nm), RE2O3 (RE: Er, Yb, Nd) have shown a broadband intense white emission. While we observed broadband white emission at the atmospheric condition, we noticed some overlapping anti-Stokes type emissions corresponding well with the RE3+ ions upconversion lines together with a white broadband emission at vacuum pressure. A peculiar effect of the pressure was observed since an optically active ion (RE3+) is part of the complex and not a dopant. The measured color quality parameters have shown that the fully concentrated rare earth nanocrystals at the atmospheric pressure can be considered as excellent white light source under near-infrared stimulation. At low pressure, anti-Stokes' type emissions, which accompany broadband white light emission, adversely affect the quality of white light. As it is not within the scope of this thesis but started with the undergraduate graduation project and excited us, it was added as an extra section to the thesis which we worked on and received valuable results. Er3+ and Er3+/Yb3+ doped zinc tellurite (ZnO/TeO2) glasses were prepared using melt quenching technique. Spectroscopic properties of the glasses were studied by absorption spectroscopy, luminescence spectroscopy, and color chromaticity coordinates (CIE-1931) measurements. Also, temperature-dependent upconversion emissions under 975 nm near-infrared laser excitation were measured at temperatures between 304 K and 443 K. By Fluorescence Intensity Ratio (FIR) technique, the sensitivity curves of the glasses were formed. As a result, the maximum sensitivity of the glasses doped with Er3+/Yb3+ were found to be 120x10-4 K-1 at 429 K, which is much higher than previously reported temperature sensors based on Er3+ ion doped materials. Hence, Er3+/Yb3+ doped zinc-tellurite glass can be more suitable than that of doped with Er3+ ions only for optical thermometry applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    732709

    Lanthanide and/or quantum dot doped luminescent glasses/glass nanocomposites as wavelength convertors for advanced opto electronic applications

    İleri opto-elektronik uygulamalar için dalga boyu dönüştürücüler olarak lantanit ve/veya kuantum nokta katkılı luminesan cam ve cam nanokompozitler

    ORHAN KIBRISLI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ ERÇİN ERSUNDU

  2. Tez No

    548646

    Metamaterials as broadband absorbers, tunable color filters, andmulti-functional metasurfaces

    Genişbant emiciler, ayarlanabilir renk filtreleri, ve çok işlevlimetayüzeyler olarak metamalzemeler

    MAJİD AALİZADEH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EKMEL ÖZBAY

  3. Tez No

    266033

    Novel design-based complex nanostructures in hybrid core-shell architectures for high-efficiency light generation

    Yüksek verimli ışık üretimi için melez çekirdek-kabuk mimarili yenilikçi dizayn temelli kompleks nanoyapılar

    İLKEM ÖZGE ÖZEL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR

  4. Tez No

    176863

    Dual and single color mid-wavelength infrared quantum well photodetectors

    Çift ve tek renkli orta dalgaboyu kızılötesi kuantum kuyulu fotodedektörler

    MELİH KALDIRIM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CENGİZ BEŞİKÇİ

  5. Tez No

    475085

    Tunable optical properties of Dy3+; Eu3+ DOPED, Dy3+/ Bi3+; Dy3+ /Ce3+; Dy3+/ Eu3+; Tb3+ /Ce3+ codoped LaBO3

    Dy3+; Eu3+ DOPED, Dy3+/ Bi3+; Dy3+ /Ce3+; Dy3+/ Eu3+; Tb3+ /Ce3+ ikili katkılı LaBO3 ortoboratların ayarlanabilir optik özelliklerinin araştırılması

    ÖZDE CEREN HIZAL ABACI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    KimyaOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞEN YILMAZ

    DOÇ. DR. OKAN ESENTÜRK

Geri Dön