Semiconductor nanoplatelet heterostructures enhanced via combinations of colloidal atomic layer deposition and hot injection shell growths
Koloidal atomik katman kaplama ve sıcak enjeksiyon kabuk kaplama yöntemlerinin birleşimiyle geliştirilen yarı iletken nanolevha heteroyapıları
- Tez No: 574584
- Danışmanlar: PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 84
Özet
Nanolevhalar olarak da bilinen kolloidal kuantum kuyuları, kolloidal optoelektronik ve nanofotonik alanlarındaki önemli yarı iletken nanokristal malzeme gruplarından biridir. Atomik boyutları ve levhayı andıran düz yapıları sayesinde bu malzemelerin optik özellikleri istenildiği şekilde değiştirilebilir ve yine aynı sebepten ötürü bu malzemeler dev osilatör gücü gibi benzersiz özelliklere sahiptirler. CdS, CdSe ve CdTe, çekirdek şeklinde sentezlenmiş ilk yarıiletken nanolevhalar, ışık hasatı ve üretimi uygulamaları için gerekli özellikleri sergilerler. Ancak, bu optik ve kimyasal özellikler, çekirdeğin etrafında taç ve kabuk tabakaları büyütülerek iyileştirilebilir. Taç katmanı büyümesi yanal yönlerde gerçekleşirken, kabuk katmanı nanolevha yüzeyinin tamamını kaplar. Bu iki farklı katman büyütme tekniği birlikte kullanılarak yeni nanolevha heteroyapıları oluşturulabilir. Elektron ve deşik dalga fonksiyonlarının elektronik lokalizasyonuna bağlı olarak, bu hetero-nanolehvalari Tip-I ve Tip-II olarak ayrılır. Eksiton çiftlerinin sadece bir bölgeye hapsolduğu durumda Tip-I yapı oluşur ve rekombinasyon doğrudan gerçekleşir. Elektron ve deşik farklı yarıiletken katmanlarında lokalize olduğunda Tip-II yapı oluşur ve dolaylı rekombinasyon gerçekleşir. Bu tez çalışmasında, Tip-I yapıya sahip CdSe/ZnS ince ve kalın-kabuk nanolehva heteroyapıları ilk defa sıcak enjeksiyon yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Düşük kuantum verime ve düşük kimyasal ve optik kararlılığa sahip heteroyapılarla sonuçlanan kolloidal atomik katman kaplama tekniğinin aksine, sıcak enjeksiyon yöntemi ile neredeyse %100 kuantum verime sahip ve en fazla 6 defa etanolle yıkadıktan sonra bile kuantum verimi neredeyse değişmeyen nanolehvalar üretilmiştir. Öte yandan sıcak enjeksiyon yöntemi ile sentezlenen kalın-kabuk nanolevhaların, 400 K sıcaklığında kolloidal şeklinde fotolüminesans verimliliğinin %65'ini ve film şeklinde fotolüminesans verimliliğinin %52'sini koruduğunu gösteren yaşlanma testleriyle benzersiz termal ve optik yaşlanma dayanıklılığı tespit edilmiştir. Bu yüksek seviyedeki dayanıklılık, bahsi geçen nanolevhaları yüksek sıcaklık uygulamaları için kullanılmasına fırsat yaratır. Tez çalışmasının bir başka kısmı, CdS nanolevhalarının ve onların CdS / CdSe çekirdek / taç, CdS / CdZnS çekirdek / c-ALD kabuk ve CdS / CdSe / CdZnS çekirdek / taç / c-ALD kabuk heteroyapılarının sentezini de kapsamaktadır. Nanolevhalar arasında CdS yalnız mavi bölgede ışıma yapmaktadır, bu özellik lazer teknolojisinde yeni kapılar açabilir. Normalde, büyük yanal boyutları nedeniyle CdS yapısal anlamda katlanmaktadır. Bu araştırma çalışmasında, taç ve kabuk tabakası ile kaplandığında, bahsedilen nanolevha katlanmasının önüne geçilmektedir. Bu CdS / CdSe çekirdek / taç nanolevhalarında, yalnızca çekirdek yapıdaki CdS nanolevhalarıyla karşılatırıldığında, kuantum verimi %15-20'ye kadar artış göstermektedir. Nihai bulgular, bu nanolevha heteroyapılarının çeşitli kuantum mimarileri yönünden oldukça zengin olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
One of the most promising families of semiconductor nanocrystals in colloidal optoelectronics and nanophotonics is considered to be colloidal quantum wells, also commonly referred to as nanoplatelets (NPLs). Possessing an atomically flat structure, NPLs feature unique properties including spectrally-resolved and tunable light-hole- and heavy-hole transitions accompanied by their respective giant oscillator strengths. CdSe, CdS and CdTe, making the first colloidal NPLs synthesized in core-only structure, portray distinct qualities necessary for light-harvesting and -generating applications. However, going beyond the core structure, there are many properties that are highly enhanced by growing crown and/or shell layers around core NPLs. While the crown growth takes place anisotropically in lateral directions, the shell layer covers the entire NPL surface, combinations of which enable NPL heterostructures in new architectures. Depending on the electronic alignment of parts of the NPL heterostructure and the resulting confinement of electron-hole wave functions, these hetero-NPLs can be type-I or type-II. In type-I electron-hole pairs are confined in the core-NPL and recombination occurs in a direct pathway. In type-II electron-hole wave function is separated into different semiconductor layers, resulting in spatially indirect recombination. In this thesis, we synthesized and showed thin- and thick-shell grown heterostructures of type-I CdSe/ZnS NPLs using hot-injection (HI) for the first time particularly for these semiconductor NPLs. Unlike the typical colloidal atomic layer deposition (c-ALD) technique, which produces NPL heterostructures with low quantum yield (QY) and low chemical and optical stability, our approach yields CdSe/ZnS NPLs of almost unity (100%) quantum yield (QY) and improved chemical stability, tested by washing the same samples rigorously up to 6 times with ethanol with little change observed in the QY. Additionally, unparalleled thermal and optical aging endurances is achieved in aging tests. These tests experimentally demonstrated that, elevated to 400 K, HI thick-shelled NPLs can retain up to 65% of their emission intensity in the colloidal form and 52% of that in the film. This level of high stability creates a great opportunity for employing these NPLs for high-temperature applications. Also, in the thesis, we synthesized and studied CdS/CdSe core/crown, CdS/CdZnS core/c-ALD shell-grown and CdS/CdSe/CdZnS core/crown/c-ALD shell-grown heterostructures of NPLs. Here the starting-template CdS NPLs are considered to be unique in terms of their emission in the blue region, which may open up new opportunities for NPL lasing in this spectral region. Nominally CdS NPLs are folded due to great lateral sizes. However, in this research work, when coated with crown and shell layer, these particles unfold. The unrolled CdS/CdSe core/crown NPLs are found to exhibit relatively higher QY up to 15-20% in its class of CdS core-seeded NPLs. The findings of this thesis reveal that such heterostructures of the NPLs are very rich in terms of variety of the quantum architectures one can achieve using them as working model systems.
Benzer Tezler
- Synthesis and characterization of colloidal quantum wells: From simple size-tuned core to complex multi-crown structures
Koloidal kuantum kuyularının sentezi ve karakterizasyonu: Basit boyutları ayarlanabilir çekirdekliden karmaşık çoklu taçlı yapılara
DİDEM DEDE
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Mühendislik Bilimleriİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Colloidal heterostructures of semiconductor quantum wells: Synthesis, characterization and applications
Koloidal yarıiletken kuantum kuyularının heteroyapıları: Sentezlenmesi, karakterizasyonu ve uygulamaları
YUSUF KELEŞTEMUR
Doktora
İngilizce
2017
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Colloidal synthetic pathways of atomically-flat complex nanocrystal heterostructures
Atomik olarak düz karmaşık nanokristal hetero yapıların koloidal sentetik yolları
FARZAN SHABANI
Doktora
İngilizce
2024
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Heterostructures of colloidal semiconductor nanoplatelets: A computational approach
Kolloidal yarıiletken nanolevhaların heteroyapıları: Sayısal bir yaklaşım
ACHMAD NASYORI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilim ve TeknolojiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Heterostructures of colloidal semiconductor nanoplatelets: A computational approach
Kolloidal yarıiletken nanolevhaların heteroyapıları: Sayısal bir yaklaşım
ACHMAD NASYORI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilim ve TeknolojiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
PROF. DR. EVREN MUTLUGÜN
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU