Novel InP-based quantum dots via ZnO shelling and ruthenium doping for lighting and antibacterial applications
Aydınlatma ve antibakteriyel uygulamalar için ZnO kabuk kaplamalı ve rutenyum doplu yeni InP tabanlı kuantum noktalar
- Tez No: 822564
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 134
Özet
Yarı iletken kolloidal kuantum noktaları (QD), kuantum hapsetme etkisi ve malzeme bileşimi ile emisyon ayarlanabilirliği, yüksek fotolüminesans kuantum verimi (PLQY) ve kimyasal stabilite dahil olmak üzere avantajlı özellikleri nedeniyle son yıllarda ilgi odağı olmuştur. Bu nedenle, kuantum noktalar, ışık yayan diyotlar (LED'ler) ve fotokataliz gibi çok çeşitli uygulamalar için ideal malzemeler olarak kabul edilmektedir. Bu tez çalışmamızın ilk kısmında %91 gibi yüksek PLQY değerine sahip yarı tip-II InP/ZnO/ZnS çekirdek/kabuk kuantum noktaları gösterdik. Genel kabul görüşe göre elektron deşik dalga boylarının kısmen ayrıldığı tip-II yapısındaki QD'lar düşük PLQY değerine sahiptir. Bu konuda son yıllarda yüksek kuantum verimliliğine sahip tip-II kuantum noktalar rapor edilmiş olsa da toksik etkiye sahip kadmiyum içermektedirler. Bu bağlamda, çalışmamızda kadmiyum içerikli benzerlerine alternatif olarak çevreye zararsız InP tabanlı QD'ler gösterilmiştir. InP çekirdek QD'lerinin sentezinden sonra, tip II heteroyapı elde etmek için ZnO kabuğunu termal ayrıştırma işlemiyle büyüttük. Daha sonra, SILAR tekniği ile çoklu ZnS kabuklarını büyüttük. Ana malzeme etkisini en aza indirgemek için sentezlenmiş olan QD'leri yeni tip dizayn kullanılarak mavi LED'lere entegre ettik. Ortaya çıkan kuantum nokta tabanlı LED'in dış kuantum verimliliği (EQE) %9.4 olarak ölçüldü. Tez çalışmamızın ikinci kısmında verimli kırmızı yayıcılar için alternatif bir yöntem olarak InP/ZnS QD'lere rutenyum katkılanması ilk kez incelenmiştir. Şimdiye kadar, çeşitli geçiş metallerinin InP kuantum noktalarına doplanması araştırılmış olsa da rutenyum doplanması henüz rapor edilmemiştir. Çalışmamızda, rutenyum doplu InP QD'ler rutenyum solüsyonunun yüksek sıcaklıkta ana solüsyona sıcak enjeksiyonu ile sentezledik. Rutenyum elementi çeşitli karakterizasyon teknikleriyle doğrulandı. Ayrıca, rutenyum doplu örneğin dopsuz olana kıyasla daha yüksek PLQY değerine ve QD tabanlı LED cihazının %7.9 verimliliğe sahip olduğu görüldü. Tez çalışmamızın son kısmında ise yeni bir antibakteriyel malzeme olarak yarı tip-II InP/ZnO QD'ler araştırıldı. Bugüne kadar, antibakteriyel uygulamalar için InP, çinko oksit (ZnO) ve kadmiyum telerat (CdTe) gibi QD'ler araştırılmış olsa da tip-II QD'lerin antibakteriyel özellikleri rapor edilmemiştir. Bu bağlamda, ilk kez tez çalışmamızda InP/ZnO QD'lerin süperoksit (•O2⁻) ve hidroksil (•OH) radikalleri olmak üzere reaktif oksijen türleri (ROS) ürettiğini gösterdik. Ayrıca düşük yoğunluklu yeşil ışık uyarılması altında Pseudomonas aeruginosa'ya karşı %99 düzeyinde antibakteriyel etki gösterdiği tespit edildi. Sonuç olarak bu tez çalışması ile ZnO kabuk kaplaması ve rutenyum doplama yoluyla yeni InP tabanlı QD'lerin LED ve antibakteriyel uygulamalar için etkili malzemeler olduğu gösterilmiştir
Özet (Çeviri)
Semiconductor colloidal quantum dots (QDs) have been at the focus of attention in recent years due to their advantageous properties, including emission tunability by quantum confinement effect and material composition, high photoluminescence quantum yield (PLQY), and chemical stability. Thus, QDs are regarded as ideal materials for a wide variety of applications such as light-emitting diodes (LEDs) and photocatalysis. In the first part of our thesis, we demonstrated highly efficient quasi-type-II InP/ZnO/ZnS core/shell QDs with a PLQY of 91%. It is generally accepted perspective that type-II core/shell QDs, in which electron and hole wavefunctions are spatially separated, exhibit low PLQY. Even though type-II QDs with high PLQY values have been reported recently, they consist of heavy metals which show toxic effects. In our study, we used environmentally benign InP-based QDs as an alternative material compared to cadmium counterparts. After the synthesis of InP core QDs, we grew ZnO shell by thermal decomposition process to obtain type-II heterostructure. Subsequently, multiple ZnS shells were grown by SILAR technique. We integrated as-synthesized core/shell QDs on blue LED die using a novel architecture in liquid-state to minimize the host material effect. The resulting QD-LED exhibited external quantum efficiency (EQE) of 9.4%. In the second part of thesis, we introduced for the first-time ruthenium doping into InP/ZnS QDs as alternative strategy for efficient red-emitters. To date, various transition metals doping into InP QDs have been investigated, however, ruthenium (Ru) ion doping into InP QDs has not been explored yet. In our study, we synthesized Ru doped InP QDs by hot injection of ruthenium precursor into main solution at elevated temperature. Ru presence was confirmed by optical and structural analysis techniques. Ru doped InP-based QDs displayed higher PLQY in the red spectral region compared to undoped sample. The integration of Ru-doped QDs into LEDs in a liquid matrix led to an external quantum efficiency of 7.9%. In the last part of thesis, we investigated the potential of InP/ZnO core/shell QDs with type-II band alignment as a novel antibacterial agent. To date, various types of colloidal QDs have been introduced for antibacterial applications, including InP, ZnO, and CdTe. However, antibacterial activity of the type-II based QDs have not been studied yet. In our study, we demonstrated that InP/ZnO QDs exhibited reactive oxygen species (ROS) generation, including superoxide (•O2⁻) and hydroxyl radicals (•OH). Furthermore, upon low intensity green light stimulation (3 mW.cm-2) the optimized core/shell QDs displayed high antibacterial activity of 99% inhibition against Pseudomonas aeruginosa. These findings showed novel InP-based QDs via ZnO shelling and ruthenium doping are efficient material for LED and antibacterial applications.
Benzer Tezler
- 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
SADRA SADEGHI
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Flexible optoelectronic biointerfaces using quantum dots and pseudocapacitive materials for photoelectric stimulation of neurons
Nöronların fotoelektrik uyarımı için kuantum nokta ve pseudokapasitör malzeme tabanlı esnek optoelektronik biyoarayüzler
ONURALP KARATÜM
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Retina-inspired artificial synapses and near-infrared optoelectronic neurostimulation devices using quantum dots
Kuantum noktaları kullanarak retina ilhamlı yapay sinapslar ve yakın kızılötesi optoelektronik nörostimülasyon cihazları
RIDVAN BALAMUR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
PROF. DR. AFSUN ŞAHİN
DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN ULUŞAN
- Development of novel anticounterfeiting technologies using heavy metal free nanoparticles
Sahteciliğe karşı ağır metal içermeyen nanotanecikler kullanarak yeni teknolojilerin geliştirilmesi
DİDEM TAŞCIOĞLU
Doktora
İngilizce
2021
Mühendislik Bilimleriİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR ÖZÇELİK
PROF. DR. MUSTAFA MUAMMER DEMİR
- Dark current optimization desings for mesa and planar type processed short wavelength infrared photodetectors
Mesa ve planar yapılı kısa dalgaboyu kızılötesi dedektörlerin karanlık akım optimizasyon tasarımları
MUHAMMET HALİT DOLAŞ
Doktora
İngilizce
2021
Bilim ve TeknolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPAN BEK
DR. YETKİN ARSLAN