Improvement of luminescence properties of zinc borosilicate glasses for white led applications
Beyaz led uygulamaları için çinko borosilikat camların lüminesans özelliklerinin geliştirilmesi
- Tez No: 904398
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Gelişmiş ve sürdürülebilir aydınlatma teknolojilerinde, w-LED 'ler enerji verimliliği, çevre dostu olması, renk doğruluğu, hızlı tepki süreleri ve geniş uygulama alanlarına sahip olması sayesinde tercih edilmektedir. Enerji-verim aydınlatma teknolojilerinin geliştirilmesi, yüksek kalitede beyaz ışık elde edilmesi ile ilişkilidir. Beyaz ışık, mavi tabanlı GaN veya InGaN çiplerinin, sarı ışıma yapan Ce+3 iyonu ile aktive edilmiş YAG malzemesi ile kaplanmasıyla veya ultraviyole (UV) veya yakın ultraviyole (NUV)- ışık yayan diyot (LED) çiplerinin kırmızı, yeşil ve mavi fosfor karışımı ile LED üzerine kaplanması ile üretilmektedir. Ancak w-LED uygulamalarında nadir toprak element katkılı camların kullanımı, RGB tabanlı w-LED'lere kıyasla iyi optik ve mekanik özelliklere sahip, üretim maliyetleri düşük ve üretim yönteminin kolay olması sebebiyle ön plana çıkmaktadır. Bu kapsamda, düşük miktarlarda çeşitli nadir toprak elementleri ile aktive edilen borosilikat camların dikkate değer optik ve lüminesans özellikleri, kimyasal dayanımları ve termal kararlılıkları w-LED uygulamalarında kullanılmalarını sağlamaktadır. Ana matris yapısını aktifleştirici iyonu olarak işlev gören nadir toprak elementleri, yapıya homojen bir şekilde dağılır ve radyatif geçişe neden olan emisyonu oluşturmaktadır. Işık kaynaklarının rengini tanımlamak için CIE 1931 renk uzayından kromatiklik koordinatları hesaplanır. Bu koordinatlar, ışık kaynağının rengini belirlemek için kullanılmaktadır. CCT (Renk Sıcaklığı), beyaz bir ışık kaynağının renk görünümünü tanımlayan bir ölçümdür ve Kelvin (K) cinsinden ifade edilmektedir. CCT değeri ≤ 3700 K ise karşılık gelen emisyon sıcak, 3700 ila 5000 K arasındaki CCT değeri için emisyon rengi saf ve ≥ 5000 K için daha soğuk emisyon rengi olarak kabul edilmektedir. Borosilikat camları B2O3 ve SiO2 olmak üzere iki ana alt gruptan oluşmaktadır. Camın özeliklerini iyileştirmek amacıyla yapıya alkali oksitler eklenmektedir. Borosilikat camları yüksek geçirgenliğe sahiptir ve fosforesans uygulamalarında bir bariyer oluşturmadan ışığın yayılmasına izin vermektedirler. B2O3 ve SiO2, köprü oluşturan oksijen yapıları oluşturabilen mükemmel ağ oluşturuculardır. Ancak, bu ağ oluşturucuların yüksek fonon enerjileri, camdaki radyasyon dışı kayıplar sonucunda azalan lüminesans verimliliğine yol açar. Radyasyon dışı enerji kayıplarını önlemek ve cam sisteminin lüminesans performansını iyileştirmek için, borosilikat camlara eklenebilir. Modifiye edici oksitler Si-O-Si ve B-O-B bağlarını kırarak koordineli kusurların oluşumunu kolaylaştırmaktadır. Çinko oksit, düşük fonon enerjisine, geniş bant aralığına ve iyi nadir toprak iyon çözünürlüğüne sahip, umut verici bir modifiye edici oksittir. Borosilikat camların lüminesans özelliklerini geliştirmek amacıyla ana matrise ZnO eklenmiş olup UV bölgede ışık emisyonunu kolaylaştırmaktadır. Bu sebeple, ana matris nadir toprak iyonlarıyla aktive edilmiş ZnO-B2O3-SiO2-Na2O seçilmiştir. Tüm üç değerliğe sahip lantanit iyonlarının elektron kabuğu yapısı doldurulmamıştır ve N'nin 1 ila 14 arasında değiştiği 4fN elektronundan oluşur. Optik geçişler 4f elektronlarıyla ilişkilidir. Nadir toprak iyonlarından gelen ışık emisyonları, konfigürasyon içi (4fn → 4fn) veya konfigürasyonlar arası (4fn-15d1 → 4fn) elektronik geçişlerden kaynaklanır ve ultraviyole (UV) ile kızılötesi (IR) arasında değişen spektral bantlar oluşturmaktadır. Bu spektral bantların konumu ve genişliği, nadir toprak elementinin kendisi, geçiş türü ve ana malzeme ile etkileşimi gibi faktörlere bağlıdır. Düşük konsantrasyonlarda bile yeşil emisyon gösteren Tb+3 iyonları, görünür bantta yüksek bir lüminesans davranışına sahip olduğundan, aktivatör malzeme olarak terbiyum iyonları tercih edilmiştir. Tb³⁺ iyonlarının geçişi, Laporte-yasaklı metastabil durum olan 5D4'ten daha düşük olan 7F6 (487 nm), 7F5 (542 nm), 7F4 (585 nm) ve7F3 (620 nm) durumlarına gerçekleşmektedir. Bu çalışmada terbiyum katkılı ZnO-B2O3-SiO2-Na2O camları geleneksel ergitme yöntemi ile üretilmiştir. Ana matris konsantrasyonun değiştirilmesinin lüminesans performansı üzerindeki etkisi ZnO/B2O3 ve ZnO/SiO2 oranları açısından incelenmiştir. Ana matristeki ZnO miktarının artmasıyla köprü oluşturan oksijenlerin köprü oluşturmayan oksijenlere dönüştüğü FT-IR sonuçlarında gözlemlenmiştir. Ayrıca, numunelerin emisyon şiddeti ve lüminesans ömrü ZnO miktarı ile değiştiği fotolüminesans spektrum sonuçları ile kanıtlanmıştır. Maksimum emisyon şiddeti 1,1 ZnO/B2O3 oranında ve 0,8 ZnO/SiO2 oranında gözlenmiştir. Ancak en yüksek lüminesans ömrü 1,1 ZnO/SiO2 oranında gözlenmiştir. Vilemit ve çinko oksit fazlarının oluşumu sonucunda cam numunelerinin emisyon şiddeti ve lüminesans ömrü ısıl işlemle geliştirilmiştir. ZnO/SiO2 oranındaki artış vilemit ve çinko oksit fazlarının oluşumunu kolaylaştırmış olup kristalinite doğrudan cam numunelerinin lüminesans davranışıyla ilişkilidir. Terbiyum iyon konsantrasyonunun lüminesans performansı üzerindeki etkisini incelemek için Tb+3 iyonlarının ağırlık yüzdesi %0,35 mol ile %7,0 mol arasında değiştirilmiştir. Maksimum emisyon şiddeti, %5,6 mol Tb+3 ile aktive edilmiş numunede elde edilmiştir. %5,6 molün üzerinde Tb+3 söndürme etkisi nedeniyle emisyon şiddetinin düştüğü gözlemlenmiştir. FT-IR sonuçları, %5,6 mol Tb₂O₃ konsantrasyonuna sahip numunenin maksimum köprü oluşturmayan oksijen miktarına sahip olduğunu, ancak %5,6 mol üzerinde bu miktarın azalmaya başladığını göstermektedir. Ek olarak %1,4 mol Tb2O3 konsantrasyonuna sahip numune en yüksek lüminesans ömrüne sahip olup Tb2O3 konsantrasyonu arttıkça lüminesans ömrünün azaldığı gözlemlenmektedir. Tb₂O₃ konsantrasyonunun daha da artırılması, konsantrasyon söndürme gibi radyasyon dışı süreçler nedeniyle ömürde azalmaya yol açmaktadır. Çalışmanın son aşamasında ise beyaz ışık yayan çinko borosilikat camlarının elde edilmesi için yapıya tülyum, terbiyum ve evropiyum nadir toprak elementler eklenerek hem bu iyonların camın lüminesans performansına olan bireysel hem de kombine etkileri araştırılmıştır. Tülyum (Tm+3) iyonları mavi bölgede, evropiyum (Eu+3) iyonları ise kırmızı bölgede ışıma yaptığı için seçilmiş olup yeşil bölgede ışıma yapan terbiyumla (Tb+3) birlikte dengeli beyaz ışık elde etmektedirler. Tm³⁺ iyonlarının geçişi, 1D2 durumundan daha düşük olan 3F4 (452 nm) durumuna gerçekleşmektedir. Eu³⁺ iyonlarının geçişi ise 5D0 durumundan daha düşük olan 7F0 (577 nm), 7F1 (589 nm), 7F2 (612 nm), 7F3 (652 nm) ve 7F4 (700 nm) durumlarına gerçekleşmektedir. Tb³⁺-Eu³⁺ ve Tm³⁺-Tb³⁺-Eu³⁺ katkılı ZnB2927 cam numunelerinin CIE kromatiklik koordinatları ve CCT değerleri, 363 nm ışık kaynağıyla uyarılan PL emisyon spektrumları kullanılarak hesaplanmıştır. İdeal beyaz ışık elde etmek amacıyla çeşitli Tb³⁺-Eu³⁺ ve Tm³⁺-Tb³⁺-Eu³⁺ iyon konsantrasyonları test edilmiş ve yayılan ışığın rengi bu katkı maddelerinin konsantrasyonlarını değiştirerek ayarlanmıştır. Eu³⁺ iyon konsantrasyonunun azaltılmasının yayılan ışık rengini soğuk beyaz bölgeye doğru kaydırdığını göstermektedir. Ayrıca, Tb³⁺ iyon konsantrasyonunun değiştirilmesi, ışığın sıcaklığını etkilemektedir; yüksek konsantrasyonlar daha sıcak beyaz ışık üretme eğilimindeyken, düşük konsantrasyonlar yüksek CCT'ye sahip daha soğuk ışıkla sonuçlanmaktadır. 363 nm ışık kaynağı ile uyarılan 0.5Tm2O3-0.35Tb2O3-0.5Eu2O3 katkılı ZnB2927 numunesi ile saf beyaz renk koordinatları (0.33, 0.34) elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
In advanced and sustainable lighting technologies, w-LEDs are a promising candidate thanks to their energy efficiency, cost-effectiveness, environmental benefits, and wide range applications. Improving of energy-efficient lighting technologies is important for achieving the emission of high-quality white light. The use of rare earth-doped glasses in w-LEDs applications has good optical and mechanical properties, lower production costs, and ease of production technique compared to RGB-based w-LEDs. Borosilicate glasses activated with rare earth ions are preferred for the development of w-LEDs due to their remarkable optical, luminescence properties and ability to host various rare earth and transition elements. Additionally, zinc oxide is used as a modifier oxide to enhance the luminescence performance of borosilicate glasses. Presence of ZnO in host matrix facilitates light emission in the ultraviolet region. For these reasons, ZnO-B2O3-SiO2-Na2O glasses appear to be an attractive host matrix for doped-with-rare-earth ions. In this study, terbium-doped ZnO-SiO2-B2O3-Na2O glasses were fabricated with the conventional melt-quenching method. The effect of altering the concentration of the host matrix on luminescence performance was investigated in terms of different ZnO/B2O3 and ZnO/SiO2 ratios. FT-IR results indicate that bridging oxygens (BOs) were converted to non-bridging oxygens (NBOs) with increments of ZnO. Furthermore, the emission intensity and luminescence lifetime of samples were influenced by the amount of ZnO; this was proven with photoluminescence spectra results. The maximum emission intensity was observed at a 1.1 ZnO/B2O3 ratio and a 0.8 ZnO/SiO2 ratio; however, the highest luminescence lifetime was observed at a 1.1 ZnO/SiO2 ratio. The emission intensity and luminescence lifetime of samples were improved by heat treatment as a result of the formation of willemite and zinc oxide phases. An increase in the ZnO/SiO2 ratio facilitated the formation of willemite and zinc oxide phases; therefore, crystallinity was directly related to the luminescence behavior of samples. To investigate the effect of terbium ion concentration on luminescence performance, weight percentage of Tb3+ ions was varied 0.35 mol % to 7.0 mol%. 5.6Tb2O3 ZnB2927 sample exhibited maximum emission intensity. However, the maximum luminescence lifetime was obtained in 1.4Tb2O3 ZnB2927 sample. Non-radiative energy transition leads to decrease in lifetime with the increment of Tb2O3 concentration. FT-IR results proofs increment in emission intensity due to non-bridging oxygens formation. Thulium, terbium and europium ions which emit blue, green, and red light in the UV visible region, were incorporated the host matrix to achieve white light emission. Individual and combined effect of these ions were examined upon an energy level diagram. The CIE chromaticity coordinates and CCT values for Tb³⁺-Eu³⁺ and Tm³⁺-Tb³⁺-Eu³⁺ doped ZnB2927 glass samples were derived from their PL emission spectra, using a 363 nm excitation source. To achieve optimal white light, different concentrations of these ions were tested, allowing the color of the emitted light to be adjusted. The findings reveal that decreasing the Eu³⁺ ion concentration shifts the emitted light towards the cool white region. Additionally, the concentration of Tb³⁺ ions affect the warmth of the light: higher Tb³⁺ concentrations yield warmer white light, while lower concentrations result in cooler light with a higher CCT. The ZnB2927 sample doped with 0.5 Tm₂O₃, 0.35 Tb₂O₃, and 0.5 Eu₂O₃ displayed nearly pure white light with chromaticity coordinates of (0.33, 0.34) under 363 nm excitation.
Benzer Tezler
- Çinko borosilikat camların fosforesans özelliklerinin nadir toprak ve geçiş elementlerinin katkısı ile geliştirilmesi
Improvement of phosphorescence properties of zinc borosilicate glasses with the addition of rare earth and transition elements
SENA DAYIOĞLUGİL
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK
- Solution-processed thin film deposition and characterization of multinarychalcogenides: Towards highly efficient Cu2BaSn(S,Se)4 solar devices
Solüsyon yöntemiyle sentezlenmiş çok elementli kalkojenitlerin ince film kaplama ve karakterizasyonu: Yüksek verimli Cu2BaSn(S,Se)4 bazlı güneş soğuran cihazlara doğru
BETÜL TEYMUR
Doktora
İngilizce
2022
EnerjiDuke UniversityMalzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DAVİD B.MİTZİ
- 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
- Pr3+ katkılı kalsiyum titanat seramiklerin kırmızı fosforesans özelliklerinin geliştirilmesi
Enhancement of red phosphorescence properties of Pr3+ activated calcium titanate
HATİCE KÜBRA SADE
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK
- Fabrication and characterization of upconverting rf magnetron sputtered ytterbium-erbium silicate thin films
RF katot püskürtme metodu ile üretilmiş üst-çevrim yapan iterbiyum-erbiyum silikate ince filmlerin fabrikasyonu ve karakterizasyonu
MUHAMMET MUSTAFA ÇODUR
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SELÇUK YERCİ
DOÇ. DR. İPEK GÜLER