Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 732709
  2. Yazar: ORHAN KIBRISLI
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ ERÇİN ERSUNDU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Üretim Metalurjisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 189

Özet

Elektromanyetik spektrumun %0,0035 gibi küçük bir bölümünü kapsayan görünür ışık bandı insan gözünün algılayabildiği tek dalga boyu aralığıdır. Bu nedenle, teknolojik gelişmeler, zaman içinde ateş, akkor lambalar ve son olarak da lüminesan malzemeler gibi çok çeşitli yapay görünür ışık kaynaklarının ortaya çıkmasına neden olmuştur. Ateş ve akkor lambalar geçmişte uzun süreler boyunca aydınlatma uygulamalarında başarılı bir şekilde insanlığa hizmet etmesine rağmen, gün geçtikçe sadece aydınlatma amaçlı değil, aynı zamanda daha gelişmiş yüksek teknoloji uygulamalara ihtiyaç duyması nedeniyle daha üstün özellikli malzeme ve tekniklerin geliştirilmesi kaçınılmaz hale gelmiştir. Bu noktada fotolüminesan malzemeler, bilimsel ve teknolojik gelişmeler sonucu ortaya çıkan zorlu gereksinimleri başarıyla karşılayabildikleri için ön plana çıkmaktadır. Bazı organik bileşikler, geçiş metalleri, lantanit iyonları ve kuantum noktalar bu anlamda öne çıkan fotolüminesan malzemelerdir. Bu malzemeler arasında, lantanit iyonları ve kuantum noktalar, yüksek fotolüminesan kuantum verimi değerleri nedeniyle pratik uygulamalarda kullanılmak üzere çok yüksek potansiyele sahiptir. 5s ve 5p orbitallerinin kalkan etkisi ile korunan çok sayıdaki 4f-4f ve 5d-4f ışımalı geçişleri sayesinde lantanit iyonları çok yönlü fotolüminesans malzemeler olarak kabul edilmektedir. Öte yandan, boyuta bağlı bant aralığı ve ayarlanabilir ışıma dalga boyu ise kuantum noktaların öne çıkan özellikleri arasındadır. Tüm bu avantajlı özelliklerine rağmen kuantum noktaların yüksek yüzey enerjisi değerleri hava, sıcaklık ve nem gibi dış etmenlere karşı hassasiyete neden olmaktadır. Bu nedenle, birçok uygulama alanına entegrasyonları ideal bir konak malzemesinin olmaması nedeniyle gerçekleşememektedir. Fotolüminesan malzemelerin çevresel faktörlerden korunmalarını sağlamak ve aynı zamanda ışıma özelliklerinden faydalanabilmek için dayanıklı bir konak malzeme içine hapsedilmeleri gerekmektedir. Lantanit iyonlarının ve kuantum noktaların korunması için yaygın olarak polimer bazlı malzemeler kullanılmaktadır. Bununla birlikte, polimerlerin düşük kararlılık ve yüksek güçlü ışıma altında hızlı bozunma gibi özellikleri çevresel olarak zorlu şartlar barındıran uygulamalar için yetersiz kalmaktadır. Bu noktada, üstün mekanik, ısıl, kimyasal ve foto dayanımları nedeniyle camlar umut vaat eden konak malzemeler olarak öne çıkmaktadır. Son yıllarda, lantanit iyonları ve kuantum noktaların camlar ile bir araya getirilmesi araştırmacıların odak konularından biri olmuştur. Her bir lantanit iyonu ve kuantum noktanın ışıma özelliklerinden tam olarak faydalanabilmek için cam konak malzemenin özel olarak tasarlanması gerekmektedir. Aynı zamanda, bu tür cam esaslı malzemeler tasarlanırken hedef uygulama alanının gereksinimleri de göz önünde bulundurulmalıdır. Bu nedenle, bu tez çalışmasında, çeşitli lantanit iyonları ve/veya kuantum katkılandırılmış cam/cam nanokompozitler geliştirilmiş ve ileri opto-elektronik uygulamalarda kullanım potansiyelleri değerlendirilmiştir. Tez çalışması giriş, teorik bilgi, beş ana bölüm ve sonuçlar kısmı olmak üzere toplam sekiz bölümden oluşmaktadır. Beş ana bölüm, yazarın doktora çalışmaları sırasında yayınladığı ve katı-hal aydınlatma, hacimsel ekran ve temassız sıcaklık ölçümü uygulamaları üzerine odaklanan bilimsel makalelerin orijinal metinlerinden oluşmaktadır. Bu bilimsel makaleler, tezin ilgili bölümlerinde ilk yayımlandıkları şekilde sunulmuştur. İlk bölüm, teze genel bir giriş ile birlikte tezin amacını ve özgünlüğünü ortaya koymaktadır. İkinci bölümde, lüminesans, lantanit iyonları, kuantum noktalar ve konak malzemeler hakkında teorik bilgiler yer almaktadır. Üçüncü bölümde, katı-hal aydınlatma uygulamaları için Dy3+ katkılı tellürit camların özellikleri irdelenmektedir. Bu çalışmada, mavi ve sarı ışığın karışımı olarak beyaz ışıma yapabilen Dy3+ iyonları bir tellürit cam matris içerisine farklı oranlarda katkılandırılmıştır. Tellürit camların düşük fonon enerjisi ve üstün optik özelliklerinden faydalanılarak, iyi renk oluşturma indeksi ve uyarlanmış renk sıcaklığı değerlerine sahip saf beyaz ışık, tek tip lantanit iyonu kullanılarak elde edilmiş ve bu malzemelerin katı-hal aydınlatma uygulamalarında kullanım potansiyeli değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, pratik uygulamalara entegre edilmeden önce bu tür camların fotolüminesan kuantum verimi değerlerinin daha da geliştirilmesi gerektiği sonucuna varılmıştır. Bunun üzerine, dördüncü bölümde, CsPbBr3 ve CdSe/Dy3++CdSe katkılı silika cam nanokompozitlerin katmanlar halinde mavi LED çipi üzerinde konumlandırılması ile beyaz ışık yayan iki farklı LED geliştirilmiş ve katı-hal uygulamalarında kullanım potansiyelleri değerlendirilmiştir. Bu çalışmada, CdSe kuantum noktaların tellürit cam matris içerisinde sentezi sırasında karşılaşılan zorluklar nedeniyle silika cam matris tercih edilmiştir. Dy3+ lantanit iyonlarının ve CdSe kuantum noktaların yapıya birlikte katkılandırılması sonucu belirgin bir fotolüminesan kuantum verimi artışı gözlenmiş ve üstün renk oluşturma indeksi değerine sahip saf beyaz ışık elde edilmiştir. Tüm bu avantajlı özelliklere rağmen katmanlı cihaz yapısının pratikte kendine özgü problemleri bulunmaktadır. Bu nedenle, beşinci bölümde, CdSe ve CsPbBr3 QD'ler aynı cam konak malzeme içerisinde sentezlenerek katmanlı yapının dezavantajları ortadan kaldırılmaya çalışılmıştır. Bu çalışmada, CdSe ve CsPbBr3 katkılı cam nanokompozitler, kuantum noktalar arasındaki enerji transferi nedeniyle farklı uyarım dalgaboyları altında elektromanyetik spektrumun yeşil-sarı bölgesinden kırmızı bölgesine kadar ayarlanabilen ışıma özelliği göstermiştir. Bu nedenle, CdSe ve CsPbBr3 kuantum nokta katkılı cam nanokompozitler sadece katı-hal aydınlatma uygulamaları için değil, aynı zamanda çok çeşitli fotonik ve opto-elektronik uygulamalar için ışıma rengi ayarlanabilir dalga boyu dönüştürücüler olarak değerlendirilmiştir. Altıncı bölümde, Ho3+/Tm3+/Yb3+ lantanit iyonları katkılı tellürit camların ışıma rengi, uyarım kaynağının frekansının değiştirilmesi ile anlık ve geçici olarak ayarlanmış ve bu camların hacimsel ekran uygulamalarında kullanım potansiyelleri değerlendirilmiştir. Yedinci bölümde ise, Ho3+ ve Ho3+/Er3+ katkılı tellürit camların floresans şiddet oranı yöntemi ile temassız sıcaklık ölçümü uygulamalarında kullanım potansiyelinin değerlendirildiği deneysel çalışmalara yer verilmiştir. Özetle, bu tez çalışmasında, lantanit iyonu ve/veya kuantum nokta katkılı camların/cam nanokompozitlerin optik ve fotolüminesans özellikleri hedef uygulamaların gereksinimleri göz önünde bulundurularak incelenmiştir. Hem fotolüminesan malzemeler için hem de konak malzemeler için yapı-özellik ilişkileri kurulmuştur. Isıl, kimyasal ve foto dayanım özellikleri ekstrem koşullar altında incelenmiştir ve katı-hal aydınlatma, üç boyutlu ekran ve temassız sıcaklık ölçüm uygulamaları için prototip cihazlar geliştirilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması yeni nesil lüminesan cam/cam nanokompozit esaslı dalga boyu dönüştürücülerin avantajlı ve geliştirilmesi gereken özelliklerini ortaya koyarken aynı zamanda pratik uygulamalara entegrasyonunu da ele almaktadır. Elde edilen sonuçlar umut verici olmasına rağmen, bu malzemelerin ticarileşebilmesi için mühendislik bakış açısıyla gerçekleştirilecek daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır. Malzemeler her türlü mühendislik uygulamasının bel kemiğini oluşturmakta olup, performans üzerinde doğrudan etkiye sahiptir. Dolayısıyla, bu tez çalışmasının temel amacı olan yeni nesil opto-elektronik malzemelerin geliştirilmesi ve değerlendirilmesi, mevcut uygulamalarda kullanılan malzemelerinin performanslarının arttırılmasının yanı sıra özgün malzemeler kullanarak yeni uygulamaların geliştirilmesi için de gereken bilgi birikimine katkı sağlamaktadır.

Özet (Çeviri)

Visible light covers a tiny fraction — about 0.0035 percent — of the electromagnetic spectrum and it is the only portion that human eye can decode. Therefore, technological developments have led to the emergence of a wide range of artificial visible light sources over time including fire, incandescent bulbs and the most lately luminescent materials. Fire and incandescent bulbs have served us well mainly to illuminate our surroundings but eventually development of more advanced materials and techniques have become inevitable due to the increasing demands of our society not only for lighting purposes but also for various high-tech applications. At this point, photoluminescent materials have taken the center stage due to their outstanding features to meet challenging requirements of scientific and technological developments. Some organic compounds, transition metals, lanthanide ions and quantum dots (QDs) are the most renowned photoluminescent materials. Among these materials, lanthanide ions and QDs step forward due to high achievable photoluminescent quantum yield (PLQY) values which ultimately set their potential sky-high to be used in practical applications. Abundant 4f-4f or 5d-4f emission transitions and shielding effect of the outer 5s and 5p orbitals make lanthanide ions versatile photoluminescent materials. On the other hand, size dependent band gap and emission wavelength tunability are the showcase features of QDs. However, high surface energy of QDs results in exalted vulnerability against air, water and temperature. Thus, their integration into numerous immensely desired applications are hindered due to absence of an ideal encapsulation material. Photoluminescent materials are usually embedded in a robust encapsulant to protect them against environmental conditions and at the same time to allow exploitation of their favorable emission properties. Polymer-based materials are commonly used for the encapsulation of lanthanide ions and QDs. However, stability and high-power light damage problems of polymers make them insufficient for applications in extreme environmental conditions. Herein, glasses arise as promising encapsulation materials due to their splendid mechanical, thermal, chemical and photo resistivity properties. Scientific community has been working tremendously to get lanthanide ions/QDs and glasses together. Nevertheless, meticulous tailoring of glass host is needed for almost each lanthanide ion/QD to exploit their unique emission properties. Furthermore, requirements of the end-use application should also be kept in mind while designing such glass-based materials. Therefore, in this thesis, various lanthanide ions and/or QDs doped glasses/glass nanocomposites are developed to evaluate their potential use in advanced opto-electronic applications. The thesis itself is composed of eight chapters including introduction, theoretical background, five core sections and conclusions and future outlook. The core sections cover five scientific journal papers published by the author during his Ph.D. studies that are mainly focused on solid-state lighting, volumetric display and non-invasive temperature sensing applications. These scientific journal papers are presented in related chapters of the main text as they were originally published. Chapter one gives a general introduction about the literature review, objective and novelty of the thesis. Chapter two presents a theoretical background covering some general information about luminescence, lanthanide ions, QDs and encapsulation materials. Chapter three demonstrates an investigation on Dy3+ doped tellurite glasses for solid-state lighting applications. In this work, Dy3+ — that is capable of emitting white light as a mixture of blue and yellow colors — is doped into a tellurite glass matrix in different concentrations. Low phonon energy and favorable optical properties of tellurite glasses are exploited to achieve pure white light generation with competitive color rendering index (CRI) and correlated color temperature (CCT) values by using a single type of lanthanide ion for their evaluation as solid-state lighting materials. However, it is concluded that the PLQY values of such glasses should be further increased before their integration in practical applications. Therefore, chapter four presents two alternative white LED device constructions by coupling CsPbBr3 doped silicate-based glass nanocomposite layer with CdSe and Dy3++CdSe doped layers on top of a blue LED chip to evaluate their potential to be used in solid-state lighting applications. In this work, silicate glasses are chosen as the host material due to difficulties in synthesis of CdSe QDs in tellurite glasses. Significant PLQY enhancement is obtained through co-doping of Dy3+ and CdSe and pure white light emission with excellent color conversion performance and challenging color rendering index values are observed. Although favorable emission properties are obtained using this approach, stacking of multiple layers of lanthanide and/or QD doped glasses/glass nanocomposites has its own practical difficulties regarding the device construction. Therefore, chapter five introduces a novel approach where CdSe and CsPbBr3 QDs are formed together in a silicate glass matrix for the first time to eliminate the disadvantages of multi-layered LED design. In this work, CdSe and CsPbBr3 QDs doped glass nanocomposites demonstrate favorable color tuning ability from yellow-green to red portion of the electromagnetic spectrum with favorable PLQY values under different excitation wavelengths thanks to the energy transfer between different QDs. Thus, CdSe and CsPbBr3 QDs doped glass nanocomposites are evaluated as color tunable wavelength convertors with a high potential to be used in a wide-range of photonic and opto-electronic applications rather than only for solid-state lighting purposes. Chapter six demonstrates the instantaneous tuning of emission color by the modulation of excitation frequency in monolithic tellurite glasses doped with Ho3+/Tm3+/Yb3+ ions underlying their potential to be used in volumetric display applications. Chapter seven presents temperature dependent up- and down-converted photoluminescence emissions of Ho3+ and Ho3+/Er3+ doped tellurite glasses in terms of fluorescence intensity ratio (FIR) method for their use in noninvasive optical temperature sensing applications. To sum up, in this thesis, optical and photoluminescence properties of lanthanide ion and/or QD doped glasses/glass nanocomposites are specifically investigated for different target applications due to their color converting properties. Structure-property relations are linked both for photoluminescent materials, i.e., lanthanides and/or QDs, and glass hosts. Thermal, chemical and photo stability features are determined under exaggerated conditions to test the suitability of such materials for practical applications. Proof-of-concept prototypes are constructed for solid-state lighting, 3D display and temperature sensing applications. This thesis reveals favorable properties and drawbacks of the new generation luminescent glass/glass nanocomposite-based wavelength convertors and also contributes to the integration of these novel materials into high-end applications. The obtained results are promising; however, more research should be conducted in the frame of engineering to achieve their successful commercialization. Altogether, materials are backbone of any kind of engineering application and have a direct impact on the performance. Therefore, development and evaluation of new generation opto-electronic materials, which is the main goal of this thesis, will pave the way for performance enhancement of existing applications as well as discovery of the new ones.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    421229

    Nadir toprak iyonları ile katkılandırılmış çinko oksit tellürit (TeO2-ZnO) camlarda beyaz ışık üretimi ve karakterizasyonu

    Characterization and generation of white light in rare earth ions doped zinc oxide telluride (TeO2-ZnO) glasses

    AYFER KAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖNÜL ERYÜREK

  2. Tez No

    832358

    151,153,155sm çekirdeklerinde düşük enerjili elektromanyetik dipol modların teorik olarak araştırılması

    Theoretical investigation of low energy electromagnetic dipole modes in 151,153,155sm nuclei

    YASEMİN KARADEMİRCİ KÖMÜRCÜ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Fizik ve Fizik MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMRE TABAR

  3. Tez No

    439479

    A3B tipi yeni asimetrik ftalosiyaninler

    New kinds of A3B-type unsymmetrical phthalocyanines

    PINAR BUYUK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET GÜL

  4. Tez No

    333182

    Ultrasound assisted synthesis of micro and nano crystals

    Ses üstü sayesinde mikro ve nanokristal sentezi

    CANSU YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    KimyaKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR BİRER

  5. Tez No

    683092

    Equimolar binary compounds: A first-principles based machine learning study

    Eşmolar ikili alaşımlar: AB-initio tabanlı makina öğrenme çalışması

    CEM ORAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ADEM TEKİN

Geri Dön