Development of nano-alloyed CdTeS quantum dots via two-phase synthesis method
İki faz yöntemiyle nano-alaşım CdTeS kuantum noktacıklarının sentezi
- Tez No: 737886
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CANER ÜNLÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Kimya, Science and Technology, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 64
Özet
20. yüzyıl daha sonraları insanlığı çok büyük etkileyen buluşlar yapılması bakımından bilimin altın çağı olarak adlandırılır. Bu dönemki bilim, insanlığın o döneme kadar keşfedemediği ama farkında olmadan yararlandığı esrarengiz bir kapıya açılır. Tanımadığı ve özellikle nano boyutundan gelen bu malzemeleri, insanoğlu bu dönemde tanımaya ve incelemeye çalıştı. X ışınları gibi yeni karakterizasyon teknikleri insanın gözle göremediği bu malzemelerin özelliklerinin keşfine yol açtı. Bu malzemeler sadece 1'den 100 nanometreye kadar bir boyutları olsa da fiziksel ve yüzeysel özellikleri tartışmasız bir şekilde kullanılan büyük boyutlu malzemelerden çok daha iyiydi ve bu yüzden nano bilime olan ilgi gün geçtikçe arttı. Son 30 yılda ise bu yeni diyara nano-malzemeler denilmiştir. Nano malzemelerin bu benzersiz özellikleri, büyük boyutlu malzemelerin göstermediği kuantum sınırlama özelliğinden gelmektedir. Kısıtlamanın sonucu olarak, Bohr yarıçapının altında, değerlik ve iletkenlik bantları arasında oluşan etkileşim sonucunda kesikli enerji düzeyleri oluşur. Başka bir sözle söylersek, nano boyutta elektronların hareketi serbest değildir, sınırlıdır. Kuantum nano yapıların bir çeşidi olan sıfır-boyutlu malzemelere adı, elektronun hareketi üç boyutta da sınırlanınca verilir. Sıfır-boyutlu kuantum nano yapılardan biri olan kuantum noktacıklar yüksek fotoluminesan, geniş adsorpsiyon ve dar emisyon gibi özel fiziksel özellikleri gösterir. İlk defa 1981 yılında Ekimov tarafından üretilen ve 1984'te adını alan kuantum noktacıklar başka bir deyişle yarı iletken nano kristaller, 2000 yıl önce Romalılar ve Yunanlılar tarafından kullanılmıştır ve yapısındaki kesikli enerji seviyeleri nedeniyle yapay atomlar adıyla da adlandırılır. Periyodik cetvelin 2-6 veya 3-5 grubundaki elementlerden oluşurlar. Kesikli enerji seviyeleri dışında, yüzeyin hacme olan oranı yüksek olduğundan, teşhisten fotovoltaik hücrelere kadar geniş bir kullanım alanları vardır. Kuantum noktacıklar kızılötesinden mor ötesi ışığa kadar geniş bir aralıkta absorpsiyon yapması aynı dalga boyuyla farklı boyuttaki kuantum noktacığı uyarılabilme özelliği verir. Aynı zamanda da organik boyalara göre dar bir emisyon aralığına sahiptirler. Ayrıca aynı yapıdaki malzeme, boyutları değişerek farklı dalga boylarında emisyon yaparlar. Bu özelliklerinin dışında, kuantum noktacıklar organik boyalardan hem daha parlak hem de daha foto stabillerdir. Son yirmi yılda, nano malzemelerin özellikleri anlaşıldıkça, bu malzemelere olan ilgi de git gide arttı. Bu malzemeleri hastalıkların tanı ve iyileştirilmesinde veya fotovoltaik hücrelerin verimini arttırmak gibi girişimler artarak devam etmektedir. Kullanılmak istenen alana göre kuantum noktacıkları istenilen boyutta ve yapıda elde etmek çeşitli üretim yollarıyla bugün mümkündür. Ama kullanım alanından önce bu malzemelerin asıl zorluğu onların üretim yoludur. Buradaki asıl zorluk ise bu malzemeleri üretirken doğaya zarar vermeden, olabilecek en ılıman koşullarda ve verimli bir şekilde üretmektir. Bugün, üretim metotları aşağıdan-yukarıya ve yukarıdan-aşağıya olmak üzere iki bölüme ayrılır. Her iki üretim çeşidinin de kendine göre avantajları ve dezavantajları vardır. Yukarıdan-aşağıya metodu daha çok fiziksel yollar kullanılarak büyük moleküllerin nano boyuta küçültülmesidir. Aşağıdan-yukarıya metodu ise, atom veya moleküllerin bir araya gelerek istenilen yapını oluşturmasıdır. Kendiliğinden bir araya gelme durumu burada malzemenin özelliklerini belirleyen önemli bir faktördür. Bu metot atom veya moleküllerin bir araya gelerek çekirdek yapıyı oluşturmasıyla başlar, bu yapıların kendiliğinden bir araya gelmesiyle de devam eder ve serbest enerjinin maksimum değere ulaşmasına kadar devam eder. Aşağıdan-yukarıya metodu da fiziksel ve kimyasal olmak üzere ikiye ayrılır. Ama kimyasal metotlar zaman, sıcaklık, alet kullanımı gibi konularda fiziksel metotlardan daha avantajlıdır. Kimyasal bir aşağıdan-yukarıya yöntemi olan iki faz yöntemi 1984 yılında altın nano-kristalleri için icat edilmiştir. Adından da anlaşılacağı gibi birbirine karışmayan iki farklı faz vardır ve nano-kristaller bu iki fazın arasında oluşur. Bu yol tek basamakta ve kapta ılıman koşullar altında istenilen malzeme elde edilir. Sonuçta elde yüksek kuantum verimli, dar emisyon aralığına sahip kuantum noktacıkları oluşur. Kuantum noktacıkların dezavantajlarından biri ise, yalın olarak üretilenler yüzeylerinin çok reaktif olmasından dolayı hemen bozulurlar ve bu yüzden optiksel özellikleri hemen değişir. Bu yüzeyleri hemen fonksiyonel bir grup içeren organik veya yüksek enerji bant aralığına sahip başka bir kuantum noktacık ile inorganik kaplama etkin maddeyle kaplanırlar. Bu kaplama hem yüzeyi kontrol altına almanın yanı sıra kuantum noktacığın küme olmasını engellemek hem de daha sonra fonksiyonel gruplar ekleyerek farklı alanlarda kullanımını sağlar. Bunun yanı sıra, kuantum noktacıklar suda çözünmedikleri zaman daha iyi optiksel özellikleri olur. Suyu sevmeyen malzemeler ise biyolojik kullanım için uygun değildir. Bu yüzden çeşitli yollarla bu malzemeler suda çözülebilir hale getirilir. Yüzeyin slika gibi suyu seven malzeme ile kaplanması veya yüzeyin suyu seven bir etken madde ile değiştirilmesi iki yoldur. Bu tezde, iki-faz yöntemiyle üretilen CdTeS kuantum noktacıklarının optiksel ve yapısal özellikleri incelenmiştir. İki-faz yönteminde polar faz olarak su, apolar olarakta tolüen ve yüzeyi pasifleştirmek için ise oleik asit kullanılmıştır. Sulu fazın etkisni görmek için, sulu fazda çözdürülen tellürün miktarı bir yarıya kesilip, bir de iki katına çıkartılmıştır. Son olaraktan, sentezlenen hidrofobik kuantum noktacıklar ligand değiştirme metoduyla hidrifilik yapılıp, optik olarak incelenmiştir. Bu kuantum noktacıkların karakterizasyonu hep optiksel hem de yapısal olarak yapılmıştır. Yapısal analiz için HR-TEM, XPS ve XRD kullanılırken, optik için UV-Vis ve floresan spektrometresi kullanılmıştır. HR-TEM sonuçlarına göre, homojen ve tek dağılımlı kuantum noktacıklarını kanıtlamıştır. XPS sonucuna göre merkezde Te karakterinin fazla olması ve 1 gün sonra bunun değişerek S karakterinin artması nedeniyle kuantum noktalarının yapısının nano-alaşım heterojen şeklinde olduğu görülmüştür ve XRD ise CdTe kristal çinko-blend kübik yapıyı kanıtlamıştır. Ayrıca bu yapısal sonuçlara göre, yapıdaki tellür miktarı arttıkça yapının saf CdTe kübik yapısına yaklaştığı ve pikin giderek daha genişlediği gözlemlenmişti. Buna göre yapıya fazladan tellür eklediğimizde kristal yapıyı bozulduğu anlaşılmıştır. Daha sonra optik özellikleri incelendiği zaman, floresan spektrumu ise polar ve apolar fazda bulunan kuantum noktacıklarını parlaklığını kanıtlamış ve normal miktar tellüre sahip olan kuantum noktacıklar en yüksek dalga boyunu vermiştir. Yarı miktara sahip kuantum noktacık ise en yüksek yoğunluk pikini vermiştir. Absorban piki ise normal miktar tellür sahip olanlarda en fazla olduğunu gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
The 20th century was called as the golden age for the science since the significant discoveries that is going to affect human life was made in that century. The science around that time opened the new gate to the mysterious world that humankind had been take advantage of it without even realizing but they had never been able to discover. The humankind had tried to explore and investigate the unfamiliar materials which came from especially nano scale at that time. The new characterization techniques like X-ray lead to finding of properties of these novel materials which is not visible to human eye. They have only from 1 to 100 nm dimensions, however; their surface and physical properties are way better than bulk materials that no one can argue. Therefore, since then the interest to the nano science have been increased day by day. And this new world has named as nanomaterials for last 30 years. The main cause for unique properties of nanomaterials comes from the confinement of electrons which bulk materials don't display. As a result of the confinement, discrete energy levels are formed due to interaction between valance and conjugation band under Bohr radius. On other words, it can be said that electrons have no freedom to move in nano dimension, their motion is confined. One type of the quantum nanostructures are zero-dimensional materials which named after restriction in all dimensions. Quantum dots which is zero-dimensional nano structure displays exclusive physical properties like high photoluminescence, wide adsorption and narrow emission. QDs in other words semiconductor nanocrystals, which synthesized for the first time in 1981 by Ekimov and was took its name in 1984, used 2000 years ago by Romans and Greeks and due to its discrete energy levels in their structure, they also are named as artificial atoms. Besides the discrete energy levels in QDs, high surface-to-volume-ratio properties makes them ideal candidate from diagnostic to photovoltaic cells. Their adsorption wavelength is broad from infrared to ultraviolet which means different size of the QDs can be excited with the same wavelength. At the same time, they have narrow emission wavelength that are altered with QDs' size and composition. In other words, QDs can emit different kind of wavelength with the same composition by changing the size. They are generally composed of II-VI and III-V elements from periodic table. Among these properties, QDs are more stable and brighter than organic dyes. As the properties of these nanomaterials have been understood, the attraction for these materials have increased especially last 20 year. There has been more attempt to use it for treatment, diagnosis of illness and for the solar cells to increase efficiency of photovoltaic cells. According to application area, different types of QDs, having diverse size, composition and structures, can be desired which is achievable with the help of the different types of the fabrication techniques. However, the main challenge part is to fabricate them effectively under the mild conditions without giving harm to the nature. Today, the manufacture methods are divided into two parts: top-down and bottom-up. Both have its own advantages and drawbacks. Bottom-up methods mean the self-assembly of the atom or molecules to constitute desired structure. Self-assembly is the key part of these methods. Method starts with the nucleation and goes on with the self-assembly and when the free energy reaches the maximum level, the production finishes. Bottom-up methods also divided into chemical and physical parts. However, chemical bottom-up fabrication is more advantageous in respect to temperature, time, usage of device etc. Two-phase method is type of chemical bottom-up which is invented in 1984 for Au nanocrystals. As can be understandable from the name, there are two-immiscible-phase in this method. The nanocrystals constitute interlayer between these two-phase. Two-phase method occurs in one tank, one step and mild conditions regarding other ones. As result of the reaction, QDs that have high quantum yield and narrow emission band, arises. The main disadvantages of QDs, they are so reactive when they are bare nanocrystals. Bare QDs are affected from the external sources so easily that damage their optical properties. Therefore, the surface of the QDs are always coated with organic or non-organic capping agents. Organic agents can be organic molecules that involves functional groups at the both ends, and inorganic ones are generally other QDs which have higher band gap. On the other hand, hydrophobicity gives the QDs better optical properties than hydrophilicity. Having hydrophobic character, QDs are mainly not suitable for the biological application while they need to be water-soluble. Thus, there are some attempts to make them hydrophilic. Exchange of the surface with hydrophilic agent or coating it with functional groups like silica are two examples to build water-soluble QDs. In this thesis, the CdTeS QDs were synthesized with the two-phase method and its optical and structural characteristic are investigated. The two-immiscible phase were the toluene and water in the reaction. Oleic acid was used as capping agent to passivate the surface. Later, the effect of the water-phase precursors was examined. The amount of the Te was doubled and cut in half to observe the effect. Lastly, these synthesized QDs were made hydrophilic by ligand exchange method and its optical properties are investigated. The characterization of the CdTeS QDs was both optical and structural. The structural one was made with HR-TEM, XPS and XRD. The optical characterization was made with UV-Vis and Fluorescence spectroscopy. From the HR-TEM, the structure of the QDs observed as monodisperse and homogenous. XPS gave the insight through the type of the QDs which is the gradient alloy due to Te rich center. XRD proved the CdTe characteristic of the QDs. Excitation graphs demonstrated the brightness of the QDs at both polar and non-polar phase. Also, the half amount of the Te had the highest intensity among them; however, the normal amount of Te had highest wavelength. Absorbance peak of different amount of Te was the same.
Benzer Tezler
- Synthesis of ZnCdSSe, CdSSeTe quaternary and ZnCdSSeTe quinary alloy quantum dots via two phase synthesis method
ZnCdSSe, CdSSeTe dörtlü ve ZnCdSSeTe beşli alaşım kuantum noktacıklarının iki faz sentez yöntemi ile sentezlenmesi
MERVE ERKAN
- Optimization of fragmentation behaviour of brittle phase in a ductile matrix during mechanical alloying for the production of nano composite powders and final products
Mekanik alaşımlama sırasında gevrek fazın sünek matris içerisindeki ufalanma davranışlarının optimize edilmesi ve nano kompozit tozu nihai ürün üretimi
AYDIN ŞELTE
Doktora
İngilizce
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURAK ÖZKAL
- Development of magnesium based negative electrode materials for nickel metal hydride batteries
Nikel metal hidrür pilleri için magnezyum esaslı negatif elektrot malzemelerinin geliştirilmesi
CAVİT EYÖVGE
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
EnerjiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUR ÖZTÜRK
- Development of hydrogen separation membrane in paladyum based ternary systems
Paladyum esaslı üçlü sistemlerde hidrojen saflaştırıcı membran geliştirme
MEHMET MERT KÖSE
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUR ÖZTÜRK
- Molibden katkılı elmas-benzeri karbon filmlerin üretimi, karakterizasyonu ve tribolojik özellikleri
Production, characterization and tribological properties of molybdenum doped diamond-like carbon films
EMRE ALP
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. KÜRŞAT KAZMANLI