Synthesis, temperature sensing and white light production properties of the lithiumniobate and tungstenoxide modifed TeO2+Yb2O3+Er2O3 optical glasses
Lityumniobat ve tungstenoksit katkılı TeO2+Yb2O3+Er2O3 optik camların sentez, sıcaklık algılama ve beyaz ışık üretimi özellikleri
- Tez No: 741241
- Danışmanlar: PROF. DR. GÖNÜL ERYÜREK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Nadir toprak (RE) iyonları ile katkılanmış tellür esaslı camlar birçok önemli optik ve fiziksel avantajları sebebiyle son yıllarda farklı yönleriyle araştırılmıştır. TeO2 esaslı cam malzemeler dayanıklı olmaları, mekanik olarak kolay hazırlanmaları, düşük erime sıcaklığına sahip olmaları gibi birçok fiziksel avantajları sayesinde fotonik alanında ve lazer uygulamalarında kullanılmaya elverişlidir. Bunun yanı sıra farklı latislerin oluşmasına imkan sağlayan çok iyi bir konak malzemedir. TeO2 en önemli seçim kriterlerinden biri olan düşük fonon enerjisini sağlamasına rağmen, tellürit camların 290 oC olan cam geçiş sıcaklıklarını onların termal olarak dayanıklılığını azaltır. Bu durumda latise WO3 katkılanarak cam geçiş sıcaklığı 370 oC'ye çıkarılabilir ve bu sayede tellürit camın termal olarak dayanıklılığı arttırılmış olur. RE3+ iyonları katkılı optik malzemeler, çeşitli lazer uyarımları altında yukarı ve aşağı dönüşüm süreçleri ile elektromanyetik spektrumda ışıma yapma özellikleri sayesinde lazer uygulamalarında, optik yükselticiler, güneş pillerinde, görüntüleme cihazlarında ve termal sensörlerde kullanımı oldukça yaygındır. Lantanit iyonlarından Er3+ iyonunun arttırılmış üst enerji dönüşüm ışıldaması, Yb3+'dan Er3+'a yüksek verimli rezonans yoluyla üretilir. 2H11/2 ve 4S3/2'nin termal olarak çiftlenmiş enerji seviyelerinin floresans yoğunluk oranına (FIR) dayalı sıcaklık algılama gibi uygulamalarda kullanılması için oldukça avantaj sağlar. Temassız FIR tekniği, hem termal olarak ulaşması zor hem de elektromanyetik olarak zorlu ortamlarda kusursuz sıcaklık ölçümü sağlar. Bunun yanı sıra Er3+ iyonlarının termalleşmiş çift olan 2H11/2 ve 4S3/2 enerji seviyelerinden yayılan üst enerji dönüşüm yeşil ışığının yoğunluk oranı sıcaklığa bağlı olarak değişir. Yoğunluklardaki bu değişiklik, FIR tekniği ile karakterize edilir[8]. Literatürde yapılan çalışmalarda Er3+/Yb3+ ortak katkılı tellürit camlar yeşil ve kırmızı emisyonlar için oldukça elverişli olmalarının yanı sıra, yapılan çalışmalar bu camların iyi termal kararlılık gösterdiği ve emisyon spektrumlarının çoğunlukla yakın kızılötesi bantta olduğu tespit edilmiştir. Yb3+ 'nın 980 nm'deki Er3+ geçişi 4I13/2 'ye yol açar [10]. TeO2 esaslı camlar; yüksek kırılma indisleri, düşük fonon enerjileri, geniş iletim bölgesine sahip olmaları ve yüksek şeffaflığa sahip olmaları gibi silikat, fosfat, almanat gibi camlarla kıyaslandığında birçok avantaja sahiptir.Farklı ışıldayan renklere sahip olmaları ve elektromanyetik spekturumun görünür bölgesinde eşsiz spektral özelliklere sahip olmaları ve UV ile NIR bölgelerinde lüminesans göstermeleri sayesinde lantanit iyonları, renk üretimi,aydınlatma, LED'ler gibi birçok alanda kullanıma uygundur. Lantanit iyonlarından Er3+ katkılı tellürit esaslı camlar, verimli üst enerji dönüşümü emisyonları ve yakın kızılötesi bantları gibi avantajları sayesinde araştırma konusudur. Latislerde duyarlılaştırıcı olarak kullanılan en popüler lantanit iyonu Yb3+'dır. Yb3+ iyonu, 2F7/2-2F5/2 geçişi sayesinde çok miktarda enerji emer ve lazer için 850-1000 nm arasında yüksek enerji emme verimliliği sağlar. Bunun yanı sıra Er3+, Tm3+, Ho3+ gibi aktif RE3+ iyonlarına da enerji aktarma avantajına sahiptir. Yüksek uyarılmış yarı kararlı duruma sahip olmaları sayesinde yakın kızılötesi bölgesinden görünür bölgeye üst enerji dönüşüm lüminesansı elde edilmesini sağlar. Yb3+ iyonları, RE3+ iyonlarının verimliliğini arttırmak için alıcı veya aktivatör olarak da kullanılabilir. Yb3+ iyonlarının enerji transferi yoluyla alıcı veya aktivatör olarak olarak RE3+ iyonlarının uyarma verimliliğini arttırır ve absorpsiyon kesiti geniştir. RE3+ iyonları ile katkılı cam malzemeler, 4I15/2-2H11/2 (522 nm) uyarıldığında 4S3/2 durumundan yeşil emisyon bandı olan 4I15/2 temel durumuna yavaş bir lüminesans bozunma eğrisi gösterir. Yb3+ iyonu 980 nm dalga boyu uyarımı altında komşuya hızlı ve kolay enerji transferi, büyük absorpsiyon kesitine sahiptir. Er3+ katkılı camlara duyarlılaştırıcı olarak Yb3+ iyonu katkılandığında, Yb3+ ile Er3+ iyonları arasında verimli enerji aktarım mekanizmasının arttığı gözlenmiştir. Daha önce yapılan çalışmalarda Er3+ iyonlarının uyarılmış durumundan temel duruma geçişleri 550 nm ve 670 nm olmak üzere iki emisyon bandı gözlenir. 550 nm dalgaboyunda 4S3/2-4I15/2 geçişleri ve 670 nm'de 4F9/2-4I15/2 geçişlerine denk gelen yeşil ve kırmızı emisyon bandı görülür. Çalışma kapsamında, değişik oranlarda Yb3+/Er3+ ikili katkılı TeO2-WO3-LiNbO3 latislerini eritme yöntemi ile sentezlenerek cam malzemeler elde edilmiştir. Eritme yöntemiyle sentezlenmiş 5 adet camın hazırlanmasında kullanılan tüm kimyasallar, Libror AEG 120- Shimadzu hassas elektronik tartı ile tartıldı. Beşer gram olarak hazırlanan kimyasal tozlar, karışım miktarları ayarlanarak mermer havanda karışırıldı. Kimyasal toz karışımlarıyla dolu plattin kap, her bir numune için Carbolite type ELF 11/6 marka elektrikli fırında eritildi. Numuneler, 950oC ye ulaştıktan sonra 1 saat bekletildi. Önceden 150oC ısıtılan EHRET TK/L4061 marka etüve alındı ve burada da 1 saat bekletildi. Cam malzemelerin latisleri, Er3+ iyon konsantrasyonu arttırılarak değiştirilmiştir. 1 mol malzeme için molar oran olarak (84-x mol%)TeO2+(10 mol%)WO3 +(3 mol%)Yb2O3 +(3 mol%)LiNbO3 +(x mol%)Er2O3 formülasyonu kullanıldı. Elde edilen tüm optik cam malzemelerin 980 nm lazer uyarımı altında üst-enerji dönüşüm mekanizması, 200-1100 nm aralığında soğurma özellikleri, optik band aralıkları ve Urbach enerjileri, 400-850 nm dalga boyu aralığında lüminesans özellikleri, termal özellikleri ve beyaz ışık parametreleri nadir toprak iyon konsantrayonuna bağlı değişimi incelenmiştir. Üst enerji dönüşüm ışıldamasına dayalı beyaz ışık üretimi için kullanılabilirliği ve beyaz ışık üretimini etkileyen optik parametreler araştırılmış ve üst enerji dönüşüm mekanizması sayesinde ölçülmüş olan CCT, CRI, CIE x-y değerleri de tablolar halinde sunulmuştur. Absorpsiyon spektrumda 487,524,546,654,800 ve 980 nm dalga boylarında 4F3/2,5/2, 2H11/2, 4S3/2, 4F9/2, 4I9/2, 4I11/2 olmak üzere altı absorpsiyon bandı gözlenmiştir. 980 nm'de gözlemlenen absorpsiyon bandı, Yb3+ iyonunun bir 2F7/2®2F5/2 geçişi sergilediği görüldü. Er3+ iyonlarının 4I15/2 olan temel durumundan 4F3/2,5/2, 2H11/2, 4S3/2, 4F9/2 , 4I11/2 olmak üzere farklı uyarılmış durumlara geçişleri gözlemlendi. 400-850 nm lazer uyarımında Er3+ iyon geçişlerinden (527,551,663 ve 800 nm) 2H11/2-4I15/2, 4S3/2-4I15/2, 4F9/2-4I15/2 ve 4I9/2-4I15/2 üst enerji dönüşüm emisyon bandları gözlemlendi. TWL camlarının ölçülen renk parametrelerinde gücün artmasıyla küçük farklar olduğu gözlendi. TWL camları konsantrasyon değişikliklerine göre karşılaştırıldıklarında Er3+ konsantrasyonu arttıkça kırmızı bölgeden yeşil bölgeye hafifçe kaydığı gözlendi. Optik termometri incelemesinde, TWL1, TWL2 ve TWL3 cam numunelerinden ölçüm alınabildi. Bu ölçümlerde, ~527 nm ve ~551 nm olmak üzere iki yeşil emisyon bandı gözlemlendi. 300K'de 2H11/2→4I15/2 geçişindeki yoğunluk, 573 K'deki 4S→4I geçişine göre oldukça düşük olduğu gözlendi. Çalışma kapsamında Er3+/Yb3+ katkılı TeO2-WO3 cam malzemelerin fotonik cihazların yapımında, sıcaklık ve ışık sensörlerinin geliştirilmesinde literatüre katkı sağlamak amaçlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Tellurium-based glasses doped with rare earths (RE) have been studied in recent years from various aspects due to their many important optical and physical advantages. In this study, glass materials were obtained by synthesizing Yb3+/Er3+ doped TeO2- WO3-LiNbO3 lattices with different ratios by melting method. The lattices of our glass materials were modified by increasing the Er3+ ion concentration. The up-conversion mechanism under 980 nm laser excitation, absorption properties, optical band gaps and Urbach energies in the range of 200-1100 nm, luminescence properties, thermal properties and white light parameters in the wavelength range of 400-850 nm, and the variation of rare earth ions as a function of concentration were investigated. The transitions of Er3+ ions from their ground state, which is 4I15/2, to different excited states, such as 4F3/2,5/2, 2H11/2, 4S3/2, 4F9/2, 4I11/2, were observed. At laser excitation of 400-850 nm, the emission bands 2H11/2-4I15/2, 4S3/2-4I15/2, 4F9/2-4I15/2 and 4I9/2-4I15/2 UC of Er3+ ion transitions were observed. It was found that there were small differences in the measured color parameters of the TWL glasses with increasing power. When comparing the TWL glasses as a function of concentration changes, it was found that the Er3+ concentration shifted slightly from the red to the green range with increasing power. In the optical thermometry study, measurements could be made on the TWL1, TWL2 and TWL3 glass samples. In these measurements, two green emission bands, ~527 nm and ~551 nm, were observed. It was found that the intensity at the 2H11/2→4I15/2 transition at 300 K was quite low compared to the 4S→4I transition at 573 K. On study aims to contribute to the literature on the fabrication of Er3+/Yb3+ doped TeO2-WO3 glass materials, the design of photonic devices, and the development of temperature and light sensors.
Benzer Tezler
- İyon seçici sol-jel film sentezi ve optik sensör olarak kullanmı
Ion selective sol-gel film synthesis and usage as optical sensor
MERVE UMUTLU
- 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
ORHAN KIBRISLI
Doktora
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ ERÇİN ERSUNDU
- Yeni mono ve bis ftalosiyaninlerin sentezi ve özelliklerinin incelenmesi
Synthesis and investigation of properties of novel mono and bis phthalocyanines
GÜLŞAH GÜMRÜKÇÜ
- Konjuge 7,8 dioksa[6]helisenlerin sentezi ve floresans özellikleri
The synthesis of 7,8 dioxa[6]helicenes and florescence properties
BURCU YEĞİNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE NACİYE TALINLI
- Fotokatalizör özellik gösteren yeni ftalosiyanin-titanyumdioksit nanokompozitler
Photocatalytic features of new phthalocyanine-titanium dioxide nanocomposites
SEHER NECCAROĞLU IŞIK
Doktora
Türkçe
2019
KimyaYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLŞAH GÜMRÜKÇÜ KÖSE
DR. ÖĞR. ÜYESİ OĞUZHAN AVCIATA