Structural and upconversion luminescence properties of polyethyl methacrylate (PEMA) polymers doped with rare earths ions
Nadir toprak iyonlarıyla katkılı polietilmetakrilat (PEMA) polimerlerinin yapısal ve üst dönüşüm lüminesans özellikleri
- Tez No: 865905
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DEMET KAYA AKTAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 128
Özet
Işık yayan diyotlar (LED'ler), floresans aydınlatmalar, güneş panelleri ve optoelektronik cihazlar son yıllarda dünya çapında büyük ilgi görmektedir. Fosforlu maddelere olan talepler, yüksek parlaklıktan dar bant emisyonuna ve işleve bağlı spektrum mühendisliğine kadar son yıllarda giderek vazgeçilmez bir hale geldi. Halihazırda geliştirilen fosforlu maddelerde önemli ilerlemeler kaydedilmiş olsa da, üst düzey uygulamalar için tüm gerekliliklerin aynı anda karşılanması önemli bir güçlük olarak bulunmaktadır. Bu güçlüğü aşmak için önemli bir gelişme nanobilim ve nanoteknolojideki ilerlemelerdir. Nanobilimin ve nanoteknolojinin giderek gelişmesi sayesinde daha verimli nanofosforların üretilmesine olanaklı hale gelmiştir. Lantanit katkılı fosforlu maddeler görünür bölgedeki emisyonları ile ekranlarda, termal sensörlerde ve tıbbi-biyolojik uygulamalarda kullanılmaktadır. Ayrıca yakın-kızılötesi emisyonları ile lazerler, optik yükselteçler ve telekomünikasyon alanında da kullanılabilmektedir. Lantanit elementlerinde biyoyararlanım mevcuttur ve tıbbi analizde, tanı ve tedavide çok sayıda uygulamaya sahiptir. Kimyasal ve manyetik özelliklerinden dolayı kanser tedavisinde kullanımları artmaktadır. Biyosensörlerde ışık yayan kullanılan ışıldayan bileşikler, moleküler görüntüleme biyomedikal sensörleri son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Lantanit katkılı fosforların üstün özellikleri, birçok araştırmacının ilgisini çekmekte olup malzeme bilimcileri yeni uygulamalar geniş bir yelpazede lantanit katkılı fosfor kullanımını yaygın olarak incelemektedir. Lantanit iyonlarının üstün termal özellikleri ile polimerlerin üstün mukavemeti ve optik özelliklerinin kombinasyonu, % 92 optik geçirgenlik, ilginç ve umut verici çalışmalar arasındadır. Bu tür çalışmalarda kullanılacak polimerlerden polietilmetakrilat (PEMA), yüksek lazer gücü, dayanıklılığı, hafifliği, termoplastik niteliği, çevre dostu olması, kolay sentezlenmesi ve kararlı olması ile uygun bir malzemedir. Ayrıca bu malzemeyle yapılan çalışma sayısına da bilimsel literatürde az rastlanmaktadır. Bu tezin ilk bölümünde CdNb2O6:Er2O3 (%1,5 Er3+ ile katkılı) tozları, hem doğrusal PEMA'ya hem de farklı miktarlarda çapraz bağlayıcıya sahip çapraz bağlı PEMA jellerine eklendi. Tüm örnekler başlatıcı olarak azobisizobutironitril (AIBN) ve çapraz bağlayıcı olarak etilen glikol dimetakrilat (EGDMA) kullanılarak ağırlıkça % 0,1 EMA ve 60°C'de serbest radikal zincir kopolimerizasyonu yoluyla sentezlendi. Doğrusal PEMA ve PEMA jellerinde bulunan Er3+ iyonlarının yapısını incelemek için X-ışını kırınımı (XRD) yöntemi kullanıldı. Kristal tanecik boyutu, Pielázsek dağılımı ve Scherrer denklemi yöntemleri kullanılarak belirlendi. Çapraz bağlayıcı miktarları arttırılarak ortalama kristal tanecik boyutlarında 75 nm'den 12,50 nm'ye kadar azalma görüldü. Dağılımın da artan çapraz bağlayıcı miktarı ile daha homojen ve eşit bir şekilde gerçekleştiği gösterildi. Hem doğrusal PEMA hem de PEMA jel örneklerinde bulunan fonksiyonel grupları yapısal olarak incelemek için Fourier dönüşümlü kızılötesi (FT-IR) spektrumları kullanıldı. Elde edilen sonuçların XRD sonuçlarıyla uyumlu olduğu bulundu. Elde edilen sonuçlara göre, çapraz bağlayıcı derişimi arttıkça numunelerde azalan bir standart sapma aralığı sergilendiği sonucuna varılmaktadır. Pielaszek dağılımı ve Scherrer formülü kullanılarak elde edilen sonuçlar paralel olarak bir benzerlik göstermektedir. Çapraz bağlıyıcı miktarı arttığında, Gauss spektral dağılımının (GSD) yarı maksimumundaki (FWHM) tam genişliği, CdNb2O6: Er3+ kristallerinin daha homojen bir boyut dağılımına geldiğini ve PEMA polimer ağı içinde agregasyon oluşumunun engellendiği göstermektedir. Sonuçlara göre çapraz bağlayıcı oranı arttıkça lüminesans yoğunluklarının arttığı görülmektedir. UC yoğunluklarındaki artış, düşük çapraz bağlayıcı içeriklerinde Er3+-Er3+ etkileşimlerinin baskın hale geldiğini ve bunun da UC şidedetinin azalmasına sebep oluğunu gösterirken, yüksek oranda çapraz bağlayıcı içeriklerinde olmasından kaynaklandığını anlaşılmaktadır. Çapraz bağlayıcı içerikleri dikkate alındığında, Er3+-Er3+ iyonları arasındaki mesafenin artmasıyla UC şiddetlerinin arttığı, bunun da Er3+-Er3+ etkileşimlerinin ihmal edilmesine yol açtığını yorumlanabilmektedir. Yüksek çapraz bağlayıcı içeriklerinde Er3+-Er3+ etkileşimi azalırken Er3+-polimer etkileşimleri de artmaktadır ve bu sonuçlar XRD ve FT-IR sonuçlarıyla tutarlıdır. PEMA örnekleri ile çapraz bağlayıcı katkılı Er3+ tozlarının farklı derişimlerinin UC spektrumları ile emisyon şiddetleri arasında karşılaştırıldığında, çapraz bağlayıcı derişimi arttıkça emisyon şiddetlerinin kademeli olarak arttığını göstermektedir. Bu aynı zamanda Er3+ iyonları arasındaki enerji transferine dayalı çapraz gevşemelerden de kaynaklandığını yorumlanabilir . Öte yandan çapraz bağlayıcı oranı arttıkça, konak malzemedeki fonon frekansları azaldığınının ve üst dönüşüm lüminesans verimliliğinin artığını görülmektedir. Farklı çapraz bağlayıcı oranlarına sahip doğrusal PEMA ve yığınsal (bulk) PEMA jellerinde CdNb2O6:Er2O3 (%1,5 Er3+) tozunun bir lüminansmetre ile ölçülen UC emisyon spektrumları ölçüldü. Farklı güçlerdeki UC spektrum şiddetleri, floresans şiddet ölçümleriyle uyumludur ve UC şiddetleri, güç uyarma şiddet değeriyle orantılıdır. Emisyon CIE koordinatlarından farklı çapraz bağlayıcı derişimleri için PEMA'da Er3+ katkılı UC emisyonunun renk ayarlanabilirliği ölçümleri yapıldı. CIE grafiğinin emisyon konumunu karakterize eden renk koordinat değerleri (x; y), çapraz bağlayıcı derişimi arttıkça sarımsı-kırmızıdan yeşil bölgeye bir geçiş olduğu görüldü. Lüminansmetre ile alınan ölçümlerde, tüm numunelerin UC spektrum sonuçlarının fotolüminesans ölçümlerindeki değerler ile tutarlı olduğu sonucuna varılmıştır. Bu tezin ikinci bölümünde, CdNb2O6:(1,5 mol % Er3+; 2 mol % Yb3+) tozları sentezlendi. CdNb2O6: Er3+//Yb3+ ile katkılanmış PEMA lineer polimeri, düşük çapraz bağlayıcılı (%10 hacim) PEMA ve daha yüksek çapraz bağlayıcılı (%20 hacim) PEMA jelleri, serbest radikal çapraz zincir (FCC) kopolimerizasyonuyla sentezlendi. Başlatıcı olarak azobisizobutironitril (AIBN) ve çapraz bağlayıcı olarak ise etilen glikol dimetakrilat (EGDMA) kullanıldı. PEMA doğrusal ve çapraz bağlı polimerler (jeller), 60 °C'de 45 kHz'de ultrasonik banyoda polimerleştirildi. PEMA lineer polimeri (CNPYBL) için polimerizasyon süreci 4 saat sürdü. Çapraz bağlayıcı içeriği düşük (CNPYB1) PEMA jeli için jelleşme süreci yaklaşık 3 saat sürerken, çapraz bağlayıcı yüksek (CNPYB2) PEMA jeli için jelleşme süreci 1 saat olarak sürdü. Yapısal ve optik ölçümler için silindirik şekilli PEMA kompozit jellerini diskler halinde kesmek için akım taşıyan bir sıcak tel kullanıldı. Çalışmanın bir parçası olarak Er3+/Yb3+katkılı CdNb2O6:(1,5 mol % Er3+; 2 mol % Yb3+) tozları hem lineer PEMA polimerlerine hem de yığın PEMA çapraz bağlıyıcı ağlara eklendi. Örnekler, 60 oC sıcaklıkta serbest radikal zincir kopolimerizasyonu kullanılarak elde edildi. Çapraz bağlı polimerlerin konak malzeme olarak kullanılması daha önce literatürde yer almamıştır. Yapısal özellikleri incelemek için X-ışını kırınımı (XRD) kullanıldı. Bulgular, PEMA nanokompozitlerinin boyutlarının, artan çapraz bağlayıcı konsantrasyonları ile azaldığını gösterildi. Boyut dağılımlarını (GSD) bulmak için XRD analizi kullanıldı. Çapraz bağlayıcı konsantrasyonu arttıkça PEMA yığınındaki parçacık dağılımlarının daha düzgün ve homejen hale geldiği gösterildi. FT-IR verileri, Er3+ ve çapraz bağlı polimer zincirlerinin, XRD sonuçlarıyla eşleşen kimyasal bir etkileşime sahip olduğunu gösterdi. 980 nm diyot lazer kullanılarak Er3+ UC emisyonlarının araştırılması, lüminesans verimliliğinin arttırılmasından sorumlu olan enerji transfer mekanizmasını doğruladı. Polimer örneklerinden yayılan ışık, uyarma gücünü arttıracak şekilde ayarlandı ve UC emisyon verileri, çapraz bağlayıcı miktarı arttıkça lüminesans şiddetlerinin de arttığını gösterdi. Bunun nedeni ise Er3+-Er3+ arasındaki etkileşimlerden kaynaklanmaktır. Nanotozların eklendiği PEMA polimer örneklerinin renk emisyonlarına ise farklı pompalama güçlerinde renk koordinatlarını hesaplayarak incelendi. Bu malzemenin ayarlanabilir ışık yayan diyotların oluşturulmasında kullanım potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. Renk koordinatları için macenta bölgesinden saf yeşil bölgeye doğru bir kayma olduğu görülmüş olup, bu değişim % 20-25 civarındadır.
Özet (Çeviri)
This thesis aims to analyze the spectral characteristics of nanocrystal powders containing [CdNb2O6:Er3+] and [CdNb2O6: Er3+/Yb3+] by using polyethyl methacrylate (PEMA) crosslinked networks as the host matrix. The first study involved the incorporation of CdNb2O6:Er2O3(%1,5 Er3+) powders doped with Er3+ into both bulk linear polyethyl methacrylate (PEMA) and bulk PEMA crosslinked networks (gels) with varying amounts of crosslinker. The polymerization process was achieved through free-radical crosslinking copolymerization using 0.1 EMA (weight %) at a temperature of 60 °C. The X-ray diffraction (XRD) method was used to analyze the structures of Er3+ ions contained in bulk linear PEMA and PEMA gels. The crystalline grain size was determined using the Pielazsek grain distribution and the Scherrer equation techniques. By increasing the crosslinker amounts, the average-crystalline grain sizes reduced from 75 nm to 12.50 nm for CdNb2O6:Er2O3 (%1,5 Er3+) crystalines. Thus, it was shown that the distribution grew more evenly distributed. The Fourier transform infrared (FT-IR) spectra were used to monitor the functional groups present in both linear PEMA and PEMA gel samples. The obtained results were found to be in agreement with the XRD results for the two cases. The second part of this thesis included the synthesis of linear polyethyl methacrylate (PEMA) and crosslinked PEMA gels, which were doped with CdNb2O6: Er3+/Yb3+ nanocrystal powders. The synthesis was achieved using the process of free radical crosslinking copolymerization. The X-ray diffraction method was used to analyze the architectures of Er3+/Yb3+ ions contained in PEMA polymers. The average sizes of the crystalline particles were determined by using the Pielazsek particle distribution and the Scherrer equation. The particle sizes exhibited a reduction from 60 nm to 17 nm for CdNb2O6: Er3+/Yb3+ powders upon their incorporation into PEMA polymers. The morphological changes of polymer samples doped with CdNb2O6: Er3+/Yb3+ powders were observed using transmission electron microscopy and scanning electron microscopy. Luminescence spectra were measured at room temperature to explore the optical characteristics of polymer materials. The Er3+/Yb3+ ions, which was excited with a 975 nm diode laser, produced upconversion (UC) emissions using two-photon absorptions in the visible range. The intensities of UC (upconversion) and the quantities of absorbed photons were enhanced by increasing the quantity of crosslinker. The study examined how changes in the structure and morphology of the host polymer material affected color tuning, color coordinates, and color quality.
Benzer Tezler
- Synthesis and optical characterization of aurivillius layered perovskites
Aurivillius yapısındaki katmanlı perovskitlerin sentezi ve optik karakterizasyonu
MOHAMMADREZA KHODABAKHSH
Doktora
İngilizce
2018
EnerjiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UĞUR ÜNAL
- Synthesis and characterization of upconversion nanoparticles for applications in life sciences
Upconversion nanoparçacıkların canlı biliminde kullanım amacıyla sentezlenmesi ve karakterizasyonu
SELMA NACAK
Doktora
İngilizce
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiUniversität Potsdam (University of Potsdam)PROF. DR. MİCHAEL KUMKE
- Production and characterization of white light based on energy up conversion mechanisms in Yb+3,Nd+3,Tm+3 rare earth ions doped y2o3-sio2 nano-phosphor materials
Yb+3,Nd+3,Tm+3 nadir toprak iyon katkili Y2O3-SiO2 nanofosfor malzemelerde üst enerji̇ dönüşüm mekanizmasına dayalı beyaz ışık üretimi ve karakterizasyonu
HATUN ÇINKAYA YILMAZ
Doktora
İngilizce
2019
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖNÜL ERYÜREK
- Color tunable upconversion based white light properties of er-Tm-Yb phosphors and pmma nanocomposites
Er-Tm-Yb fosfor ve polimer nanokompozitlerde renk ayarlanabilir üst dönüşüm esaslı beyaz ışık özellikleri
SEVCAN TABANLI
Doktora
İngilizce
2019
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖNÜL ERYÜREK
- Investigation of up-conversion luminescence properties of holmium, thulium and ytterbium ions triply-doped tellurite glasses
Holmiyum, tulyum ve iterbiyum üçlü katkılı tellürit camların üst enerji dönüşüm lüminesans özelliklerinin incelenmesi
NAJI VAHEDIGHAREHCHOPOGH
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MİRAY ÇELİKBİLEK ERSUNDU