Developing transparent polycrystalline zinc selenide (ZnSe) pellets for laser applications
Lazer uygulamaları için şeffaf polikristal formunda çinko selenit (ZnSe) peletlerin geliştirilmesi
- Tez No: 716531
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT AYDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Bilindiği üzere bir malzemenin elektromanyetik spektrumun belirli bölgelerinde şeffaf özellik göstermesi onun, lazerler, optik spektroskopi cihazları içersinde yer alan optik pencereler, daha çok askeri sanayide kullanılan şeffaf zırhlar gibi birçok konuda akla gelen ilk malzeme olmasına sebep olmaktadır. Kendisine oldukça geniş bir alanda kullanım imkanı bulma potensiyeli taşıyan şeffaflık özelliği ile seramiklerin mekanik dayanıklılığı, yüksek sıcaklık altındaki kararlılığı, korozyona karşı yüksek dirençli olmaları gibi özelliklerini bir araya getirme düşüncesi, hem akademinin hem de özel sektörün şeffaf seramiklere olan ilgisini oldukça artırmaktadır. Günümüzde farklı kompozisyonlarda birçok şeffaf seramiğin üretimi mümkündür ve herbiri sahip oldukları fiziksel, kimyasal ve optik özelliklerine göre oldukça geniş bir yelpazede hali hazırda kullanılmaktadır. Bahsi geçen şeffaf seramikler arasında özellikle ZnSe kendine has bazı avantajlara sahiptir. Atmosfer ortamında 300 °C sıcaklığa kadar oksitlenmemesi, kırılma indisinin sıcaklığa bağlı değişiminin az olması, değişen dalga boylarında kırılma indisindeki homojenite, toksik olmaması, düşük fonon enerjisine sahip bir kristal olması, kübik kristal yapıda olması sebebi ile izotropik özellikler göstermesi ve elektromanyetik spekturumun geniş bir aralığında (0.6–21μm) şeffaf olması ile birçok şeffaf seramiğe karşı üstünlük kurmaktadır. Bahsi geçen avantajların hemen hepsi şeffaf ZnSe seramiklerinin lazer kristalleri olarak kullanılmasında büyük teşvik kaynağıdır. Özellikle orta-kızılaltı bölgede, farklı rejimlerde çalışabilen lazerlerde konak malzeme olarak sıkça ZnSe tercih edilmektedir. Şimdiye kadar ışık geçirgenliği en yüksek polikristal ZnSe malzemeleri kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile üretilmiştir. Fakat bu yöntemin H2S, H2Se gibi çevre için oldukça toksik gazlar kullanılmasını zorunlu kılması, görece düşük kristal büyütme hızına sahip olması ve üretim sürecinin pahalı olması, şeffaf ZnSe malzemesinin üretiminde yeni yöntemlerin arayışının arkasında yatan en önemli nedenlerdir. Bu tezde katı hal sentezi yöntemi, birlikte çöktürme yöntemi ve mekanik alaşımlama yöntemi kullanılarak elde edilen toz formdaki polikristal ZnSe malzemesinin ve kimyasal buhar taşınımı yöntemi kullanılarak elde edilen tek kristal ZnSe malzemelerinin kimyasal ve mikro yapısal analizleri yapılmıştır. Elde edilen toz polikristal ZnSe malzemeleri farklı sinterleme parametreleri kullanılarak kıvılcım plazma sinterleme yöntemi ile preslenmiştir. Bu işlem sonucunda elde edilen dairesel formda katı ZnSe malzemelerinin kimyasal, yapısal ve optik analizleri yapılmıştır. Yapılan analizlere göre sinterlenecek toz malzemenin içersindeki en küçük safsızlığın, geniş bir aralıkta parçacık boyutu dağılımına sahip olmasının ve küçük kristal boyutlarından meydan gelmesinin sinterleme sonucunda elde edilen ZnSe malzemesinin optik geçirgenliğini önemli miktarda azalttığı belirlenmiştir. Ayrıca kıvılcım plazma sinterleme metodunda kullanılan grafit kalıptan malzemeye karbon geçişi saptanmış ve malzemedeki karbon safsızlığının malzemenin renginin siyah tonlarında olmasına ışık geçirgenliğin azalmasına sebep olduğu belirlenmiştir. Malzemenin karbon ile kontamine olmaması ve sinterlenen malzemenin büyük kristal boyutlarında ve daha az porlu yapıya sahip olması Ar veya vakum ortamında saflaştırma (ısıl işlem) uygulanarak ve kıvılcım plasma sinterleme parametreleri optimize edilerek sağlanmıştır. En iyi örnek katı hal yöntemi ile sentezlenen toz ZnSe malzemesinin 1200 °C sıcaklıkta 150 dk sinterlenmesi ile elde edilmiştir. Bu örnekler uzak kızıl ötesi bölgelerde yaklaşık %50 ışık geçirgenliğine ulaşabilmektedir. Kimyasal buhar taşınımı yöntemi ile tek kristal ZnSe sentezinde ise bilindiği kadarıyla ZnCl2 ilk kez transfer ajanı olarak kullanılmıştır. Bu yöntem ile farklı ısı gradyantları altında ve farklı miktarlarda taşıma ajanı kullanılarak yapılan deneylerde 2 mm boyuna ulaşabilen tek kristal ZnSe sentezi başarıyla gerçekleştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Transparency in particular regions of the electromagnetic spectrum is well recognized and is utilized in many applications, including solid-state lasers, optical windows in optical spectroscopy instruments, and transparent armors. Improving the quality of transparency, mechanical endurance, thermal stability, and corrosion resistance in this material class has attracted academic and industrial interest. Nowadays, numerous transparent ceramics are available in various compositions employed in different applications due to their physical, chemical, and optical characteristics. Among many functional transparent ceramics, ZnSe, in particular, exhibits a number of unique properties: (i) it does not oxidize at temperatures up to 300 °C in the ambient atmosphere, (ii) its refractive index doesn't vary to a large extent with temperature, (iii) it exhibits homogeneity in refractive index at different wavelengths, (iv) it is non-toxic, (v) it has low phonon energy, (vi) it exhibits isotropic properties because of its cubic crystal structure, and (vii) it exhibits transparency in a broad range of the electromagnetic spectrum (0.6–21μm). ZnSe is widely chosen as a host material for lasers that operate in a broad spectrum, particularly in the mid-infrared range. Until now, the polycrystalline ZnSe materials having the highest light transmittance have been synthesized using chemical vapor deposition. However, this approach needs the use of very hazardous gases such as H2Se and has a relatively slow crystal growth rate and is an expensive process. Therefore, new synthesis methods should be developed to produce transparent ZnSe materials. In this thesis, polycrystalline ZnSe materials have been prepared via solid-state synthesis, co-precipitation, and mechanical alloying (high-energy ball milling) methods. Furthermore, single-crystalline ZnSe was obtained via the chemical vapor transport method. The polycrystalline ZnSe materials synthesized by one of the aforementioned methods have been consolidated using the spark plasma sintering (SPS) process with a variety of sintering parameters. Chemical, structural, and optical analyses have been performed on all as-obtained ZnSe pellets. According to the characterization results, the formation of a trace amount of impurity in the powder material to be sintered, a broad particle size distribution, and small crystallite sizes considerably lower the optical transmittance of the ZnSe pellets obtained by SPS. Additionally, carbon diffusion to the sintered material has been detected from the graphite die after SPS process, evidenced by the material's black/gray color. By optimizing the SPS parameters, it has been possible to hinder carbon contamination of the material to be sintered. Besides, by applying a purification step (heat treatment either under Argon or vacuum atmosphere) for the powder to be sintered and by tuning the SPS parameters, pellets with large grain size and less porous structure have been obtained. In this way, the transparency of the pellets has been largely improved. The best sintered ZnSe sample has been obtained by using the ZnSe powder prepared by the solid-state method for 150 minutes at 1200 °C. This sample provided a light transmittance of around 50% in the far-infrared range. To the best of our knowledge, to synthesize single-crystalline ZnSe materials, ZnCl2 was used as a transport agent for the first time in this thesis. Single-crystalline ZnSe synthesis up to 2 mm in length has been accomplished using this method in trials conducted under various heat gradients and with varying concentrations of transport agents.
Benzer Tezler
- Ir katkılı ZnO filmlerinin üretilmesi ve bazı fiziksel özelliklerinin incelenmesi
Production and investigation of some physical properties of ir doped ZnO films
MÜGE SÖYLEYİCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Fizik ve Fizik MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FERHUNDE ATAY
- Oksijen ve sıcaklığın reaktif magnetik alan sıçratma yöntemiyle büyütülen çinko oksit ince filmlere etkisi
Effect of oxygen and temperature on zinc oxide thin films grown by reactive magnetron sputtering method
AYŞEGÜL SEZGİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiNecmettin Erbakan ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MÜCAHİT YILMAZ
DR. ÖĞR. ÜYESİ VEYSEL ÜNSÜR
- (MgO)x(ZnO)1-x ince filmlerinin üretimi ve karakterizasyonu
Deposition and characterization of (MgO)x(ZnO)1-x thin films
SİNAN TEMEL
Doktora
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DERYA PEKER
- Bakır konsantresinden indiyum kazanımına yönelik hidrometalurjik proses geliştirilmesi
Developing a novel hydrometallurgical process to extract indium from copper concentrate
MEHMET UMUT BEŞİRLİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiCevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN BAŞTÜRKCÜ
- Developing epitaxial graphene electrodes for silicon carbide based optoelectronic devices
Silisyum karbür tabanlı optoelektronik cihazlar için epitaksiyel grafen elektrotlar geliştirilmesi
ERDİ KUŞDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. CEM ÇELEBİ
DOÇ. DR. HALDUN SEVİNÇLİ