Geri Dön

Novel quantum dot and fluorescent protein based liquidlight-emitting diodes and luminescent solar concentrators

Yeni kuantum nokta ve floresan protein tabanlı sıvı ışık yayan diyotlar ve lüminesans güneş konsantratörleri

PDF İndir

  1. Tez No: 648300
  2. Yazar: SADRA SADEGHI
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 236

Özet

Son otuz yılda floresan nanomalzemeler, boyuta bağlı optik özellikleri ve buna bağlı olan yüksek fotolüminesans kuantum verimi (PLQY), kuantum hapsetme etkisi ve malzeme kompozisyonu yoluyla ayarlanabilir elektronik özellikler gibi nedenlerle önemli ilgi görmüştür. Bunlar arasında, kolloidal kuantum noktaları (QD) ve floresan proteinleri (FP), ışık yayan diyotlar (LED), ışıklı güneş konsantratör (LSC) ve güneş pilleri gibi aydınlatma, ggörüntü ve enerji depolama uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tezde, QD'lere ve floresan proteinlerine dayanan yüksek performanslı ve biyouyumlu ışık yayan diyotlar ve ışıklı güneş konsantratörgösterilmiştir. Şimdiye kadar, nanomateryal tabanlı renk dönüşüm LED'lerde verimli aydınlatma için ana yaklaşım nanomalzemelerin PLQY'sini arttırmaktır. Bununla birlikte, yüzdeyüz PLQY'e sahip floroforlarla bile, ana malzeme etkisi diye bilinen nedenden (katı halindeki PLQY'ın sıvı halindekinden daha düşük olması) dolayı, verimli katı hal aydınlatma kaynakları için kullanımları bir sorun olmaya devam etmektedir. Bu tezin ilk bölümünde, QD ve FP-LED'lerin optik performansını artıran yeni bir sıvı entegrasyon mimarisi tasarlıyor, geliştiriyor ve sergiliyoruz. İlk bölümde, yeşil yayan % 84 PLQY'e sahip CdSe // ZnS / CdSZnS QD'leri sentezledik, sonrasında QD'leri sıvı halde doğrudan QD'ye uygun olan yeni bir mimari kullanarak mavi LED kalıbına entegre edip mavi LED'ın üstüne ettik. Sıvı hal entegrasyonu ve PLQY'nin optimizasyonu ile bugüne kadar raporlanmış en verimli QD tabanlı LED'leri ürettik (RGB (Kırmızı, Yeşil, Mavi) için 64 lm/W ve Yeşil-Mavi tabanlı beyaz ışıyan için 105 lm/W for GB-based white light.) İkinci bölümde, yüksek performanslı beyaz LED'ler için kırmızı yayan mScarlet ve yeşil yayan eGFP floresan proteinleri kullandık. Bu proteinler canlı Escherichia coli'den yapılmak da olup ve saflaştırılmış proteinleri doğal sulu ortamlarında mavi LED çiplerine entegre ettik. Sulu entegrasyon, cihaz mimarisinde proteinlerin PLQY seviyelerini% 70'in üzerinde korudu ve rapor edilen en verimli çevre dostu beyaz LED olan 83 renk işleme indeksi (CRI) ile 81 lm / W'lık yüksek bir ışık verimliliği sağladı. Dahası, kırmızı ve yeşil yayan proteinlerin konsantrasyon oranını optimize ettik ve maksimum 92 CRI değerine sahip beyaz protein bazlı LED'ler ürettik. Üçüncü bölümde, sihirli boyutlu (Magic-sized) CdSe QD'lerin PLQY'sini% 22'ye kadar optimize ettik. Bu esnada, sentez parametrelerini optimize ettik ve hiçbir kabuklama işlemi veya sentez sonrası işlem uygulamadan mavi LED üzerinde sıvı halde entegre ettik. Üretilen beyaz LED'ler sırasıyla 89 ve 11,7 lm/W'a kadar CRI ve ışık verimliliği gösterdi. Dördüncü bölümde, 95 lümen lm/W ışık verimliliği seviyesinde, 395 lm/W optik radyasyonun (LER) ışık etkinliği ve % 23.3 harici kuantum verimliliği (EQE) ile çalışan yeşil spektral bölgede ışıyan QD-LED'leri gösterdik. Bunun için, 1-oktanetiol başlıklı CdSe@ZnS QD'leri% 91 PLQY ile sentezledik ve bunları cihaz mimarisinde QD verimliliğinin korunmasına izin veren sıvı matrise entegre ettik. Son olarak, sırasıyla% 52 ve% 74 PLQY ile kırmızı ve yeşil yayan kadmiyum bazlı QD'leri sentezledik ve sentezlenen QD'leri doctor-blade tekniğini kullanarak polidimetilsiloksan (PDMS) polimer matrisine dahil ettik ve akıllı telefon ekranları için 123 mm × 68 mm boyutlarında polimerik filmler. Mavi yayan arka ışık ünitesinde geniş alan QD-polimerik filmler kullanılarak NTSC ve sRGB renk gamı oranı sırasıyla% 91 ve% 127 olarak ölçülmüştür. Bu tezin ikinci bölümünde, yeni InP tabanlı QD'lere dayanan LSC'ler tasarlıyor, üretiyor, ve güneş ışığında enerji depolayan floresan proteinin sıvı entegrasyonunu sağlayan yenilikçi bir mimari geliştirdik. İlk bölümde, çinko karboksilat ile pasifleştirilmiş InP çekirdeğinin bakır ile doplanmasını ve ZnSe ile kabuklanmasını gösterdik, bu nanomühendislik işlemi QD'lerin% 80'in üzerinde yüksek cihaz-içi kuantum verimliliğini sağladı. Optimize edilmiş QD-LSC'ler, güneş aydınlatması altında 10 × 10 cm2'lik bir cihaz alanı için% 37'lik bir optik kuantum verimi ve 4.7'lik bir iç konsantrasyon faktörü gösterdi; bu sonuçlar, en verimli kadmiyum içeren veya kurşun içeren perovskitler LSC'lerle karşılaştırılabilir. Bakır katkılı InP/ZnSe QD'lerin gram ölçekli sentezi ve doctor-blade tekniği ile geniş alanlı (3000 cm2) ticari pencere camları üzerine kaplanması, seri üretim için ölçeklenebilirlik göstermiştir. İkinci bölümde, Stokes-shift mühendisliği ile yeniden emilimin (reabsorption) bastırılmasına imkan sağlayan tip-II bant hizalamalı kadmiyumsuz InP/ZnO çekirdek/kabuk QD'lerine dayanan LSC'leri rapor ediyoruz. Spektral emisyon ve emilim çakışması, ZnO kabuğunun InP çekirdeği üzerinde büyümesi ile kontrol edildi. Aynı zamanda ZnO katmanı, ana matris içindeki QD'lerin fotostabilitesini de kolaylaştırır. İndiyum bazlı LSC'lerin optik performansını analiz ettik ve optik verimliliği % 1.45 olarak belirledik. Üçüncü bölümde, silikon güneş pillerinin ve entegre flüoresan proteinlerin sulu bir ortamdaki spektral tepkisi ile iyi eşleşen kırmızı spektral bölgede % 61 PLQY ile en parlak protein olan mScarlet floresan proteinlerini sentezledik. MScarlet floresan proteinlerine dayanan güneş konsantratörleri, % 2.64'lük bir optik verimlilik elde etti ve yüksek konsantrasyonlardaki entegrasyon, verimliliklerini% 5'e kadar yaklaştırarak arttırdı. Son bölümde, bir PDMS dalga kılavuzuna dahil edilen alaşımlı yeşil yayan CdSe@ZnS QD'leri, fotolüminesans spektrumlarını P3HT: PC61BM güneş pillerinin foto-yanıtıyla eşleştirmek için sentetik olarak tasarlanmıştır. QD'ler %64'lük yüksek film-içi PLQY'yi korudu, bu da %44.7'lik bir optik kuantum verimliliğine yol açtı. Üretilen LSC'ler, aktif radyo frekansı tanımlama (RFID) etiketlerinin, 1-güneş koşulları altında sırasıyla 0.1-güneş ve ~ 0.1 km'lik düşük güç seviyelerinde 35 metre iletişim mesafesinde sinyal göndermesi için yeterli güç üretebilir. Bu araştırma çalışması, verimli aydınlatmasına yol açabilecek yüksek verimli QD- ve FP-LED'lerin başarılı bir şekilde gösterilmesine yol açtı. Ayrıca, bu tezde gösterilen QD ve FP tabanlı LSC'ler, çevre dostu ve verimli güneş ışığı enerji depolama çözümleri olarak doğrudan binaların ve araçların içine entegre edilebilir.

Özet (Çeviri)

Fluorescent nanomaterials have attracted significant attention in the last three decades due to their exceptional size-dependent optical properties such as high photoluminescence quantum yield (PLQY) and tunable electronic properties via quantum confinement effect and material composition. Among them, colloidal quantum dots (QDs) and fluorescent proteins (FP) have been widely used in lighting, display and energy harvesting applications such as light-emitting diodes (LEDs), luminescent solar concentrators (LSCs) and solar cells. In this thesis, high-performance and biocompatible light-emitting diodes and luminescent solar concentrators based on QDs and fluorescent proteins have been demonstrated. So far, the main approach for efficient lighting in color conversion nanomaterial-based LEDs is to increase the PLQY of the nanomaterials. However, even with near-unity emitting fluorophores, their utilization for efficient solid-state lighting sources has remained a challenge due to the decrease of PLQY from synthesis batch in liquid-state to host matrix in solid-state, which is also known as the host material effect. In the first part of this thesis, we design, develop and demonstrate a novel liquid-integration architecture, which improves the optical performance of QD- and FP-LEDs. In the first section, we synthesized green-emitting CdSe//ZnS/CdSZnS QDs with PLQY up to 84% and integrated the as-synthesized QDs in liquid-state directly onto the blue LED die using a novel architecture, which can hold the QD solutions on top of the blue LED. The liquid-state integration and the optimization of the PLQY led to a luminous efficiency of 64 lm/W for RGB (Red, Green, Blue)/ and 105 lm/W for GB-based white light generation, which are the most efficient QD-based LEDs reported to date. In the second section, we determined red-emitting mScarlet and green-emitting eGFP fluorescent proteins for high performance white LEDs, expressed them in living Escherichia coli and integrated the purified proteins in their natural aqueous environment onto blue LED chips. The aqueous integration preserved PLQY levels of the proteins above 70% in the device architecture and facilitated a high luminous efficiency of 81 lm/W with a color rendering index (CRI) of 83, which is the most efficient eco-friendly white LED reported to date. Moreover, we also optimized the concentration ratio of red- and green-emitting proteins and demonstrated white protein-based LEDs with a maximum CRI of 92. In the third section, we optimized the PLQY of magic-sized CdSe QDs up to 22% via controlling the synthesis parameters without any shelling or post-treatment process and integrated them in liquid-state on blue LED. The fabricated white LEDs showed CRI and luminous efficiency up to 89 and 11.7 lm/W, respectively. In the fourth section, we demonstrated QD-LEDs that operate at a luminous efficiency level of 95 lumens lm/W, luminous efficacy of optical radiation (LER) of 395 lm/W, and external quantum efficiency (EQE) of 23.3% in the green spectral region. For that, we synthesized 1-octanethiol-capped CdSe@ZnS QDs with the PLQY of 91% and integrated them in liquid matrix that allows conservation of the QD efficiency in device architecture. Finally in the last section, we synthesized red- and green-emitting cadmium-based QDs with PLQY of 52% and 74%, respectively and incorporated the synthesized QDs into the polydimethylsiloxane (PDMS) polymer matrix by using doctor blade technique, which led to the polymeric films with 123 mm×68 mm dimensions for smart phone displays. By using the large-area QD-polymeric films on blue-emitting backlight unit, the NTSC and sRGB color gamut ratio was measured as 91% and 127%, respectively. In the second part of this thesis, we design and fabricate LSCs based on novel InP-based QDs and developed an innovative architecture, which enabled the liquid-integration of fluorescent protein in sunlight harvesting. In the first section, we demonstrate the copper-doping of zinc carboxylate-passivated InP core and nano-engineering of ZnSe shell, which facilitated the high in-device quantum efficiency of QDs over 80%, having well-matched spectral emission profile with the photo-response of silicon solar cells. The optimized QD-LSCs showed an optical quantum efficiency of 37% and an internal concentration factor of 4.7 for a 10 × 10 cm2 device area under solar illumination, which is comparable with the state-of-the-art LSCs based on cadmium-containing QDs and lead-containing perovskites. Synthesis of the copper-doped InP/ZnSe QDs in gram-scale and large-area deposition (3000 cm2) onto commercial window glasses via doctor-blade technique showed their scalability for mass production. In the second section, we report LSCs based on cadmium-free InP/ZnO core/shell QDs with type-II band alignment that allow for the suppression of reabsorption by Stokes-shift engineering. The spectral emission and absorption overlap was controlled by the growth of a ZnO shell on an InP core. At the same time, the ZnO layer also facilitates the photostability of the QDs within the host matrix. We analyzed the optical performance of indium-based LSCs and identified the optical efficiency as 1.45%. In the third section, we synthesized mScarlet fluorescent proteins, which is the brightest protein with the PLQY of 61% in red spectral region that matches well with the spectral response of silicon solar cells and integrated fluorescent proteins in an aqueous medium into solar concentrators, which preserved their quantum efficiency in LSCs and separated luminescence and wave-guiding regions due to refractive index contrast for efficient energy harvesting. Solar concentrators based on mScarlet fluorescent proteins achieved an optical efficiency of 2.64%, and the integration at high concentrations increased their efficiency approaching to 5%. In the last section of this part, alloyed green-emitting CdSe@ZnS QDs, which were incorporated into a PDMS waveguide, were synthetically engineered to match their photoluminescence spectra with the photo-response of P3HT:PC61BM solar cells. QDs maintained high in-film PLQY of 64% that led to an optical quantum efficiency of 44.7%. The fabricated LSCs can generate sufficient power for the active radio frequency identification (RFID) tags to send signals in the communication distance of 35 meters at low power levels of 0.1-sun and ~0.1 km under 1-sun conditions, respectively. This research work led to the successful demonstration of highly efficient QD- and FP-LEDs, which can pave the way towards efficient and zero-waste lighting. Moreover, the demonstrated QD- and FP-based LSCs in this thesis can be directly integrated inside the buildings and cars as the ecofriendly and efficient sunlight energy harvesting solutions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    559448

    Moleküler imprint sol-jel polimer kaplı kuantum noktaların sentezi ve optik sensör uygulaması

    Synthesis of quantum dots coated with molecularly imprinted sol-gel polymer for application of optical sensor

    TANER ARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ORHAN GÜNEY

  2. Tez No

    313827

    Ag2S/2-MPA quantum dots; cytocompatibility and cellular internalization

    Ag2S/2-MPA kuantum noktacıkları; sito-uyumluluk ve hücre içi alım çalışmaları

    RENGİN ERDEM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    BiyolojiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAVVA FUNDA YAĞCI ACAR

    YRD. DOÇ. DR. CAN ÖZEN

  3. Tez No

    880919

    Çiriş otundan karbon kuantum nokta yapı sentezi ve optik biyosensör uygulaması

    Synthesis of quantum dot structure from Asphodelus and optical biosensor application

    ADİLE YAĞMUR HERGÜL BİLGİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    KimyaAtatürk Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EBRU BOZKURT

  4. Tez No

    275063

    Cascading and modifying nonradiative energy transfer mechanisms in strong coupling region of plasmons and excitons in semiconductor quantum dots

    Yarı iletken kuvantum noktacıklarında plazmon-ekziton güçlü etkileşim alanında ışınımsal olmayan enerji transfer mekanizmalarının sıralandırılması ve değiştirilmesi

    ONUR AKIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR

  5. Tez No

    690912

    Moleküler baskılı floresannanoparçacıkların sentezlenmesi ve sensörsistemlerinde kullanımlarının incelenmesi

    Synthesis of molecularly imprintedfluorescent nanoparticles and their use insensor systems

    CEREN KAYMAZ KUŞÇUOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Polimer Bilim ve TeknolojisiHacettepe Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT BARSBAY

Geri Dön