Colloidal synthetic pathways of atomically-flat complex nanocrystal heterostructures
Atomik olarak düz karmaşık nanokristal hetero yapıların koloidal sentetik yolları
- Tez No: 849828
- Danışmanlar: Prof. Dr. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 223
Özet
Kolloidal yarı iletken nanokristaller (NK'lar), giderek artan araştırma ilgisiyle nanobilimin en önemli dallarından biri haline gelmiş ve yakın zamanda en son Nobel Ödülü ile taçlandırılmıştır. NK'ların nanometrik boyutu, boyuta bağlı optik özelliklere izin vermekle birlikte, bu özelliklere ince ayar yapmak için bileşimin yanı sıra fazladan bir araç sağlamaktadır. NK sentezindeki son gelişmeler, NK'ların farklı şekillerinin, bileşimlerinin ve heteroyapılarının tasarımında ve mühendisliğinde önemli geliştirmelere olanak sağlamaktadır. Daha derin bir fiziksel anlayış ve daha karmaşık üretim teknikleriyle birlikte, NK'lar artık birçok optoelektronik aygıta entegre edilebilmekte ve yeni nesil optoelektronik için birincil öneme sahip hale gelmeye başlamıştır. Ancak tüm bu ilerlemelere rağmen, NK'ların tüm potansiyelini çıkarabilmek ve sentez dinamiklerini anlamak için hala daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır. Burada yarı iletkenNK'ların özellikle dört temel yönü ele alınmıştır: şekil mühendisliği, elektronik heteroyapılar, katkılama ve yüzey modifikasyonu. Bu tez araştırmasında, sentez dinamikleri, özellikle çekirdeklenme, büyüme ve difüzyon, farklı sentez yolları ve koşulları için derinlemesine araştırılmış ve bazı önemli zorluklar çözülmüştür. Daha uzun dalga boylarında uygun ışıyıcıların az sayıda olması nedeniyle, bu tezde, gevşetilmiş kuantum sınırlamasına sahip grup II-VI nanolevhalara (NL'ler) dayanan karmaşık ve kalın bir heteroyapı geliştirilmiştir. Önerilen NL'lerin çok kabuklu tasarımı, kalınlık yönündeki olumsuz büyümenin üstesinden gelmeye yardımcı olur; bu, katyon çözünmesi/yeniden kristalleşmesi ve yüksek sıcaklıklarda katyonun yeniden düzenlenmesiyle birlikte alanlar arasındaki gerilimi rahatlatmaktadır. CdSe'nin yığın bant aralığına yakın derin kırmızı bölgede ışıyan son NL'ler, ışık yayan diyot (LED) cihazında aktif bir katman olarak kullanılmış ve 701 nm'lik elektrolüminesans tepe dalga boyunda %6.8'lik olağanüstü yüksek bir harici kuantum verimliliği (EQE) sergilemiştir. Bu değer, literatürde koloitler için bu spektral aralıkta bildirilen en yüksek değerlerden biridir. Ek olarak, çeşitli doğrudan ve dolaylı rekombinasyon yollarının hem tip-I hem de tip-II özelliklere sahip fotolüminesansa yol açtığı, çok taçlı NL'lerin yeni bir heteroyapısı tasarlanmış ve gösterilmiştir. Bu NL'lerin tasarımının, özellikle alan boyutlarının, sıcaklıkla birlikte rekombinasyon kanallarını etkinleştirebilen/devre dışı bırakabilen nihai optik özellikleri önemli ölçüde etkilediği gösterilmiştir. Bu çok taçlı tip-II NL'ler, en yüksek değeri 12.9 x 106 GM olan son derece yüksek iki fotonlu soğurma kesiti ve fotodetektörler, biyogörüntüleme ve kuantum cihazları dahil olmak üzere optoelektronik uygulamalar için kritik olan düşük karanlık-parlak eksiton bölme enerjisi sergilemektedirler. Bir sonraki aşamada, kabuk büyümesinden sonra kendi kendini temizlemesi nedeniyle daha önce zorlu olduğu kanıtlanan çekirdek/kabuk NL'lerinin gümüş katkı dinamikleri gösterilmiştir. Burada kabuk bileşiminin, geri dönüşü olmayan katkılama rejimindeki yüksek katkılama sıcaklıklarında NL'lerin yok etme mekanizmasında önemli bir faktör olduğu gösterilmiştir. Ag:CdSe/CdZnS çekirdek/kabuk NL'ler, daha iyi örgü koruması ve daha yüksek katkı içeriği sayesinde CdS kabuklu NL'lere kıyasla yalnızca üstün paramanyetik özelliklere sahip katkı ışıması sergilerler. Son olarak grup I-III-VI NK'ların elektronik özelliklerini geliştirmek için bir yüzey modifikasyon yöntemi önerilmiş ve gösterilmiştir. Uzun zincirli organik ligandların S2- katmanıyla değiştirilmesi, negatif yük enjeksiyonu ve donör bölgelerin pasifleştirilmesi, bu NK'lara dayalı alan etkili transistörlerin (FET'ler) davranışını p tipinden n tipine, taşıyıcı hareketliliğinde 105 kattan daha fazla artış ile değiştirmiştir. Bu yöntem, katyonların difüzyonu ve kabuk oluşumu yoluyla NK'ların optik özelliklerinin hassas bir şekilde ayarlanmasına izin vermiştir. Bu tezin bulguları, yarı iletken NK'lar alanındaki bazı önemli zorluklara ışık tutarken, sentetik yollar ve optoelektronik özellikler üzerine gelecekteki araştırmalar için bir kılavuz çizmektedir. Tez, geliştirilen NK'ların potansiyellerini tam olarak gerçekleştirmeleri için gelecekteki aygıt entegrasyonunun yolunu açarken, doğrusal olmayan soğurma, paramanyetizma ve karanlık-parlak eksiton bölünmesi dâhil daha ayrıntılı özelliklerin gösteren, yarı iletken NK'ların fiziğine odaklanan daha ileri temel çalışmaları teşvik etmektedir.
Özet (Çeviri)
Colloidal semiconductor nanocrystals (NCs) constitute one of the most important branches of nanoscience, with an increasingly high research interest, culminating with a Nobel Prize most recently. The nanometric size of these NCs allows for size-dependent optical properties, which provides an extra tool besides the composition to fine-tune these properties. Recent advancements in NC synthesis have been enabling important developments in the design and engineering of different shapes, compositions, and heterostructures of NCs. Accompanied by a deeper physical understanding and more sophisticated fabrication techniques, the NCs are now being integrated into many of the optoelectronic devices and are of prime importance for the next-generation optoelectronics. Despite all the progress, however, the full potential and synthesis dynamics of the NCs still need further investigation. Here, we addressed specifically four key aspects of the semiconductor NCs: shape engineering, electronic heterostructures, doping, and surface modification. In this thesis research, the synthesis dynamics, especially nucleation, growth and diffusion, were investigated in depth for different synthetic routes and conditions, and some of the important challenges were resolved. With the scarce number of proper emitters at longer wavelengths, in this thesis, a complex and thick heterostructure based on group II-VI nanoplatelets (NPLs) with relaxed quantum confinement was developed. The multi-shell design of the proposed NPLs helps overcome the unfavorable growth in the thickness direction, which, together with the cation dissolution/recrystallization and cation reorganization at high temperatures, relaxes the strain between the domains. The final NPLs, emitting in the deep-red region close to the bulk bandgap of CdSe, were used as an active layer in a light-emitting diode (LED) device and exhibited an exceptionally high external quantum efficiency (EQE) of 6.8% at electroluminescence peak wavelength of 701 nm, one of the best reported for colloids in this spectral range in the literature. Additionally, a novel heterostructure of multi-crown NPLs was designed and demonstrated, where several direct and indirect recombination pathways give rise to photoluminescence with both type-I and type-II characteristics. The design of these NPLs, especially the size of the domains, was shown to significantly impact the final optical properties that can activate/deactivate the recombination channels alongside the temperature. These multi-crown type-II NPLs exhibit an extremely high two-photon absorption cross-section with the highest value of 12.9 × 106 GM and low dark-bright exciton splitting energy critical for optoelectronic applications, including photodetectors, bioimaging and quantum devices. Next, we showed silver doping dynamics of core/shell NPLs, which previously proved challenging due to the self-purification after the shell growth. Here, the composition of the shell was shown to be an important factor in the destruction mechanism of the NPLs in the irreversible doping regime at high doping temperatures. The Ag:CdSe/CdZnS core/shell NPLs exhibit only dopant emission with superior paramagnetic properties compared to CdS-shelled NPLs thanks to better lattice preservation and higher dopant content. At last, a surface modification method was suggested and demonstrated for group I-III-VI NCs to enhance their electronic properties. Replacing the long-chain organic ligands with a S2- layer, injection of a negative charge and passivation of donor sites changed the behavior of the field-effect transistors (FETs) based on these NCs from p-type to n-type with more than a 105-fold enhancement in the carrier mobility. This method allowed fine-tuning of the optical properties of the NCs by the diffusion of the cations and shell formation. The findings of this thesis shine light on some of the important challenges in the field of semiconductor NCs while drawing a guideline for future research on the synthetic routes and optoelectronic properties. The thesis paves the way for future device integration of the developed NCs to fully realize their potential, while the demonstration of the more elaborated properties, including nonlinear absorption, paramagnetism and dark-bright exciton splitting, encourages further fundamental studies focusing on the physics of the semiconductor NCs.
Benzer Tezler
- Ham petrolle kirlenmiş topraklarda istiridye mantarı (Pleurotus ostreatus)'nın mikoremediasyon kapasitesinin araştırılması
The research of the mycoremediation capacity of the oyster mushroom in the crude oil contaminated soils
CEYDA ZAZOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA SAİT YAZĞAN
- Preparation, characterization and in vitro evaluation of multifunctional magnetic nanoparticles for targeted cancer therapies
Çok fonksiyonlu manyetik nanoparçacıkların hedef kanser tedavisinde kullanılabilmesi için hazırlanması, karakterizasyonu ve in vitro çalışmaları
MAİDE GÖKÇE BEKAROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEVİM İŞÇİ TURUTOĞLU
- Integration of liquid crystals into microfluidic sensors
Sıvı kristallerin mikroakışkan sensörlere entegrasyonu
AYŞE NURCAN ÖZŞAHİN IŞILAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRE BÜKÜŞOĞLU
- Rational design of hydro- and organo-cryogels
Hidro- ve organo-kriyojellerin rasyonel tasarımı
BERKANT YETİŞKİN
- Quorum quenchıng membran biyoreaktörlerde kullanılan immobilizasyon medyalarında malzeme tercihinin etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of material preference on immobilization media used in Quorum quenching membrane bioreactors
SEMANUR SOYLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BÖRTE KÖSE MUTLU