Geri Dön

Investigation of spectroscopic properties and color parameters of TeO2-ZnO-LiNbO3: Yb3+-Er3+ optical glasses

TeO2-ZnO-LiNbO3: Yb3+-Er3+ optik camların spektroskopik özelliklerinin ve renk parametrelerinin incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 954517
  2. Yazar: IŞIK SÜMER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. GÖNÜL ERYÜREK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 103

Özet

Bu tezde Er3+/Yb3+ (erbiyum-ytterbiyum) nadir toprak elementi iyonları içeren TeO2-ZnO-LiNbO3 (tellüriyum oksit – çinko oksit - lityum niyobat) ana malzemeli cam sentezlenerek, ZnO-LiNbO3 ve Yb2O3 molar yüzdeleri sabit tutularak değişen Er3+ konsantrasyonunun camın optik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Bu amaçla (73-x mol%)TeO2 + (15 mol%)ZnO + (10 mol%)LiNbO3 + (2 mol%)Yb2O3 + (x mol%)Er2O3 kompozisyonlu camlar x= 0.5, 0.3, 0.15 ve 0.075 için sentezlenmiş ve sırasıyla TZL2, TZL3, TZL4 ve TZL5 şeklinde isimlendirilerek, öncesinde oksit tozları mermer havanda ezilerek karıştırılmış ve eritme tekniği ile 5'er gram olacak şekilde 950˚C'ye platin kap içinde ısıtılıp bu sıcaklıkta 1 saat bekletilerek sentezlenmiştir ve bu camların iç streslerini azaltmak için 250˚C'deki paslanmaz çelik kalıplara dökülmüş ve 1 saat boyunca 250˚C'deki fırında bekletilmiştir. Sentezlenen camların fiziksel özellikleri (kalınlık, yoğunluk) belirlendikten sonra optik ölçümleri alınmıştır. Sentezlenen TZL2, TZL3, TZL4 ve TZL5 camlarında ölçüm için kullanılan numunelerin kalınlıkları, d, sırasıyla 0.365, 0.37, 0.575 ve 0.34 cm olarak belirlenmiş olup yoğunlukları, ρ, Archimedes prensibi ile sırayla 3.025, 4.79, 5.54 ve 5.737 g/cm3 olarak bulunmuştur ve sentezlenen camların Er3+ iyon konsantrasyonları TZL2, TZL3, TZL4 ve TZL5 için sırasıyla 1.82x1021, 1.73.1021, 1.00x1021 ve 0.52x1021 ion/cm3 olarak hesaplanmıştır. Yapılan bu karakterizasyonlar daha sonra Judd-Ofelt analizi yapılırken de kullanılmıştır. Sentezlenen cam örnekleri 350-2000 nm arasında soğurma ölçümleri alınmış, Er3+ iyonlarının 4F3/2, 4F5/2, 4F7/2, 2H11/2, 2S3/2, 4F9/2, 4I9/2, 4I11/2 ve 4I13/2 absorpsiyon seviyeleri gözlemlenmiş, ve Yb3+ iyonları için ise 2F7/2→2F5/2 absorpsiyonu görülmüştür ve buradan direkt, indirekt optik bant aralıkları ve Urbach enerjileri belirlenmiş ve optik bant aralığı enerjileri ile cam matrislerinin kırılma indisleri hesaplanmıştır. Hesaplanan kırılma indisleri TZL2, TZL3, TZL4 ve TZL5 camları için sırası ile 2.161, 2.159, 2.196 ve 2.180 olarak bulunmuş ve değişen Er3+ konsantrasyonunun fazla bir etkisinin olmadığı gözlemlenmiştir. Direkt optik bant enerjileri, Edir, TZL2, TZL3, TZL4 ve TZL5 camları için sırasıyla 3.01eV, 3.01eV, 2.64eV ve 2.87eV olarak bulunmuş; indirekt optik bant enerjileri, Eindir, sırasıyla 2.81eV, 2.82eV, 2.51eV ve 2.64eV olarak bulunmuş ve Urbach enerjileri, EU, ise 2.91eV, 2.88eV, 2.196eV ve 2.180eV olarak bulunmuştur. Absorpsiyon ölçümlerinden faydalanarak Er3+ iyonlarının 4F7/2, 2H11/2, 2S3/2, 4F9/2, 4I9/2, 4I11/2 ve 4I13/2 absorpsiyon sevileri için Judd-Ofelt analizi yapılmış ve ölçülen ile hesaplanan osilatör güçleri TZL2, TZL3, TZL4 ve TZL5 camları için sırasıyla 21.25%, 16.31%, 7.36% ve 11.12% hata ile bulunmuştur. Hesaplanan Judd-Ofelt şiddet parametleri ile Er3+ iyonunun enerji seviyeleri için kendiliğinden geçiş olasılıkları, Arad(J,J'), buradan da dallanma oranları, β ve ışımalı yaşam süreleri τrad hesaplanmıştır. Judd-Ofelt şiddet parametreleri, Ωt=2,4,6, TZL2 için 0.61x10-20, 0.10x10-20 ve 0.22x10-20cm2 olarak hesaplanmış ve kalite faktörü, Χ=Ω4/ Ω6, 0.47 olarak bulunmuştur. Judd-Ofelt şiddet parametreleri, Ωt=2,4,6, TZL3 için 0.35x10-20, 0.056x10-20 ve 0.11x10-20cm2 olarak hesaplanmış ve kalite faktörü, Χ=Ω4/ Ω6, 0.50 olarak bulunmuştur. Judd-Ofelt şiddet parametreleri, Ωt=2,4,6, TZL4 için 2.34x10-20, 0.28x10-20 ve 0.13x10-20cm2 olarak hesaplanmış ve kalite faktörü, Χ=Ω4/ Ω6, 2.51 olarak bulunmuştur. Judd-Ofelt şiddet parametreleri, Ωt=2,4,6, TZL5 için 0.52x10-20, 0.065x10-20 ve 0.24x10-20cm2 olarak hesaplanmış ve kalite faktörü, Χ=Ω4/ Ω6, 0.26 olarak bulunmuştur. τrad değerleri ise ms mertebesinde bulunmuştur. Sentezlenen camların 975nm laser ışığı uyarılması ile fotometri ölçümleri 303K'deki oda sıcaklığında yapılmış ve UC mekanizması sayesinde CTT, CRI, CIE 1931 x-y koordinatları ölçülerek gücün bir fonksiyonu olarak belirlenmiştir ve güç arttıkça TZL2,3,4 ve 5 optik camlarının CIE-1931 x-y koordinatlarının mavi dalga boyuna doğru kaydığı gözlemlenmiş, aynı zamanda Er3+ iyon konsantrasyonu azaldıkça sentezlenen optik camların mavi bölgede yaptığı ışımanın da şiddeti artmıştır. Sentezlenen camların UC-emisyon şiddetleri 975nm laser ışığı ile uyarılarak 400-850nm aralığında 303K oda sıcaklığında gücün bir fonksiyonu olarak ölçülüp, 2H11/2→4I15/2,4S3/2→4I15/2, 4F9/2→4I15/2 ve 4I9/2→4I15/2 UC-emisyonları gözlemlenmiştir ve ayrıca Er3+ konsantrasyonu azaldıkça artan laser gücüne cam matrisinin daha dayanıklı olduğu görülmüştür. Ayrıca UC-emisyon şiddetlerinin logaritmik olarak artan güç ile bağlantısı grafiklenerek, 2H11/2+4S3/2→4I15/2, 4F9/2→4I15/2 and 4I9/2→4I15/2 enerji seviyelerindeki uyarılmalar için gerekli olan foton sayısıları log(integrated intensity (a.u.))-log(power(W)) grafiğinin lineer fitinden elde edilen eğim değerinin bir üst tam sayı değeri alınarak belirlenmiştir. Son olarak çalışmada 975nm laser ışığı ile uyarılan TZL camların sıcaklık hassasiyeti karakterizasyonu için termal olarak bağlı enerji seviyelerinin emisyon şiddetleri 303-598K sıcaklık değerlerinde, sıcaklık değerleri 50K arttıralarak ölçülmüştür. Bu sebeple Er3+ iyonun 2H11/2→4I15/2 ve 4S3/2→4I15/2 termal çift seviyeleri FIR tekniği ile incelenmiş olup, maksimum mutlak hassasiyetleri TZL2, TZL3, TZL4 ve TZL5 için sırasıyla 548K sıcaklığında 0.001579K-1, 598K sıcaklığında 0.002375K-1, 548K sıcaklığında 0.003262K-1 ve 598K sıcaklığında 0.003409K-1 olarak hesaplanmıştır. Termal çift enerji farkları, ΔE, sentezlenen TZL2, TZL3, TZL4 ve TZL5 camları için sırasıyla 26.64%, 26.82%, 8.55% ve 8.42% hata ile gözlemlenmiştir. Sıcaklık hassasiyet ölçümleri her sıcaklık değeri için en az 3 defa tekrarlanarak alınmış ve bu tekrarda ölçüm sonuçlarının neredeyse stabil kaldığı gözlemlenmiştir. Sentezlenen camlar karşılaştırıldığı zaman optik sıcaklık sensörü çalışmaları için TZL camları umut vaat eden sonuçlar vermiş olup en umut vaat edici sonuçları TZL5 optik camı vermiştir. Yapılan bu çalışmada Er3+/Yb3+ katkılı TeO2-ZnO-LiNbO3 camlarının absorpsion ölçümleri ve 975 nm laser kaynağı ile UC-emisyon ölçümleri yapılıp incelenerek optik bant enerjileri, Urbach enerjileri, güce bağlı fotometri ve fotolüminesans karakterizasyonu yapılmış ve sıcaklığa bağlı sabit güçte 975 nm laser kaynağı uyarılması ile optik sıcaklık sensörü özellikleri incelenmiştir ve alınan bu ölçümler incelendiğinde, Er3+ konsantrasyonundaki değişikliğin sentezlenen TZL camlarının optik özelliklerini çok fazla değiştirmediği gözlemlenmiştir ve Er3+/Yb3+ katkılı TeO2-ZnO-LiNbO3 camlarının gerek artan laser gücüne ve sıcaklığa dayanıklılığı ile gerek alınan ölçümlerde verdiği sonuçlarla optik uygulamalarda gelecek vaat eden adaylar arasında olduğunu gözlemlenmiştir.

Özet (Çeviri)

Er3+/Yb3+ co-doped TeO2-ZnO-LiNbO3 (tellurium oxide – zinc oxide – lithium niobate) glasses were synthesized and how Er3+ concentration affected optical properties of Er3+/Yb3+ co-doped TeO2-ZnO-LiNbO3 glass samples investigated in this thesis study. For this purpose, (73-x mol%)TeO2 + (15 mol%)ZnO + (10 mol%)LiNbO3 + (2 mol%)Yb2O3 + (x mol%)Er2O3 glass composition synthesized via conventional melt quenching method where x=0.5, 0.3, 0.15, 0.075 and labeled as TZL2, TZL3, TZL4 and TZL5, respectively. Glass samples prepared as 5 g and synthesized at 950˚C, then annealed at 250˚C for 1 hour to reduce iternal stress. Before optical measurements physical properties of TZL samples determined and thickness of samples, d, measured as 0.365, 0.37, 0.575 and 0.34 cm for TZL2, TZL3, TZL4 and TZL5, respectively and densities, ρ, calculated as 3.025, 4.79, 5.54 and 5.737 g/cm3 with decreasing Er3+ concentration. Furhermore, Er3+ concentration, NEr3+, calculated as 1.82x1021, 1.73x1021, 1.00x1021 and 0.52x1021 ion/cm3. Absorption spectra of TZL samples are taken in the range 350-2000nm. In this measurements, 4F3/2, 4F5/2, 4F7/2, 2H11/2, 2S3/2, 4F9/2, 4I9/2, 4I11/2 and 4I13/2 absorption levels of Er3+ ions are observed, and 2F7/2→2F5/2 absorption of Yb3+ ion also observed. From absorption spectrum, direct optical energy band gaps, Edir, indirect energy band gaps, Eindir, and Urbach energies, EU are determined. Edir values are determined as 3.01, 3.01, 2.64 and 2.87 eV for TZL2, TZL3, TZL4 and TZL5, respectively and Eindir values are determined as 2.81, 2.82, 2.51 and 2.64 eV as well. EU values are determined as 2.91, 2.88, 2.62 and 2.94 eV for TZL2, TZL3, TZL4 and TZL5, respectively. From optical band gap values, refractive indexes of sampled glasses are calculated as 2.161, 2.159, 2.196 and 2.180 for TZL2, TZL3, TZL4 and TZL5, respectively. Also, from absorption spectrum, Judd-Ofelt analysis of Er3+ ions have been made for 4F7/2, 2S3/2, 4F9/2, 4I9/2 and 4I13/2 absorption levels. For TZL2, J-O intensity parametres, Ωt=2,4,6 are calculated as 0.61x10-20, 0.10x10-20, 0.22x10-20 cm2, and spectroscopic quality factor, Χ=Ω4/Ω6, found as 0.47. Moreover, measured and calculated oscillator strengths of transitions are determined and root-mean-square error, rmserror, calculated as 21.25%. For TZL3, Ωt=2,4,6 are calculated as 0.35x10-20, 0.056x10-20, 0.11x10-20 cm2, and Χ=Ω4/Ω6 found as 0.50. In addition, measured and calculated oscillator strengths of transitions are determined and rmserror calculated as 16.31%. For TZL4, Ωt=2,4,6 are calculated as 2.34x10-20, 0.28x10-20, 0.13x10-20 cm2, and Χ=Ω4/Ω6 found as 2.51. Furthermore, measured and calculated oscillator strengths of transitions are determined and rmserror calculated as 7.36%. And lastly, for TZL5, Ωt=2,4,6 are calculated as 0.52x10-20, 0.065x10-20, 0.24x10-20 cm2, and Χ=Ω4/Ω6 found as 0.26. Besides, measured and calculated oscillator strengths of transitions are determined and rmserror calculated as 11.12%. With using J-O intensity parameters, radiative transition probabilities, Arad, of energy levels of Er3+ ions calculated, and using Arad, branching ratios, β, and radiative lifetimes, τrad, are calculated. Photometry measurements of synthesized glass samples are taken under 975nm laser excitation as a function of increasing laser exitation power. CTT, CRI, CIE 1931 x-y coordinates of sampled glasses are characterized at room temperature, 303K. UC-emission intensities are measured in the range 400-850nm under 975nm laser excitation at room temperature, 303K and 2H11/2→4I15/2,4S3/2→4I15/2, 4F9/2→4I15/2 and 4I9/2→4I15/2 transitions are observed. As it can be seen from the measurements, decreasing Er3+ ions and increasing TeO2 molar ratio makes glass more resistant for increasing laser excitation power. From logarithmic relation between UC-emission intensity and power, required photon number for 2H11/2+4S3/2→4I15/2, 4F9/2→4I15/2 and 4I9/2→4I15/2 transitions are determined. Temperature sensing measurements and calculations done for TZL glass samples that are under excitation of 975nm laser within 303-598K temperature range. For this purpose, fluorescence intensity ratio (FIR) technique have been used. For TZL glass samples, relation between normalized intensities of thermally coupled 2H11/2→4I15/2 and 4S3/2→4I15/2 transitions of Er3+ ions have been used. Energy difference between two thermally coupled states, ΔE, found with 26.64%, 26.82%, 8.55% and 8.41% error for TZL2, TZL3, TZL4 and TZL5, respectively. The maximum absolute sensitivities of thermally coupled 2H11/2→4I15/2 and 4S3/2→4I15/2 transitions of Er3+ ions have been found as 0.001579K-1 at 548K, 0.002375K-1 at 598K, 0.003261K-1 at 548K, and 0.003409K-1 at 598K for TZL2, TZL3, TZL4 and TZL5 glass samples, respectively, and as it can be seeb, among the glass samples, TZL5 gives the highest maximum absolute sensitivity and shows the best temperature sensing properties. As it can be seen from the results, Er3+/Yb3+ co-doped TeO2-ZnO-LiNbO3 glasses are excellent candidates for photonic applications such as lightning and optical temperature sensor technologies.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    474090

    Egzotik X(5568) ve Λ(1405) parçacıklarının incelenmesi

    Investigation of exotic X(5568) and Λ(1405) particles

    BİRTEN BARSBAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Fizik ve Fizik MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAYRİYE SUNDU PAMUK

  2. Tez No

    455717

    Ekmeklik buğday kalitesini değerlendirmede kullanılan kimyasal ve fiziksel özelliklerin incelenmesi

    Investigation of chemical and physical properties used in evaluation of bread wheat quality

    YASEMİN OKUR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Kimya MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SELİS ÖNEL

  3. Tez No

    533909

    Optimization of optical and electrochemical properties of PANI, PEDOT conducting polymers to design electrochromic device

    PANI, PEDOT iletken polimerin elektrokromik cihaz tasarımı için optik ve elektrokimyasal özelliklerinin optimizasyonu

    İSMAİL BÜTÜN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ESRA ÖZKAN ZAYİM

  4. Tez No

    244759

    Pre-seramik polimer polimetilsilseskuoksan sentezi ve silikon bazlı pre-seramik polimetilsilseskuoksan- polipropile kompozitlerinin kimyasal ve mühendislik özelliklerinin incelenmesi

    The synthesis of pre-ceramic polymer polymethylsilsesquioxane and the investigation of the chemical and engineering properties of silicon-based preceramic polymethylsilsesquioxane-polypropylene composites

    ZEYNEP TÜZENLİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    KimyaKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEVİL SAVAŞKAN YILMAZ

  5. Tez No

    643913

    Flor modifiye tiyenotiyofen ve ditiyenotiyofen moleküllerinin elektropolimerizasyonu, elektronik ve optoelektronik özelliklerinin incelenmesi

    Electropolymerization, investigation of electronic and optoelectronic properties of fluorine modified thienothiophene and dithienothiophene molecules

    SEMA TOPAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ESMA SEZER

Geri Dön