Synthesis of cadmium-based and cadmium-free colloidal nanocrystals for efficient lighting, display and biomedical applications
Verimli aydınlatma, görüntüleme ve biyomedikal uygulamaları için kadmiyum bazlı ve kadmiyumsuz kolloidal nanokristallerin sentezi
- Tez No: 974602
- Danışmanlar: PROF. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Kimya, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Engineering Sciences, Chemistry, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kolloidal yarı iletken nanokristaller, ayarlanabilir optik özellikleri, yüksek fotolüminesans kuantum verimleri ve çözelti bazlı sentez yöntemlerine uygunlukları sayesinde, son yıllarda yeni nesil optoelektronik ve biyomedikal teknolojiler için umut vadeden malzemeler olarak büyük ilgi görmektedir. Katı hal aydınlatma, ekran teknolojileri ve nöral arayüzler gibi uygulamalardaki potansiyelleri, artan performans gereksinimleriyle birlikte sürekli olarak genişlemektedir. Bu tez çalışması, hem kadmiyum bazlı hem de kadmiyum içermeyen kolloidal nanokristallerin sentezi, yapısal ayarlanması ve entegrasyonu üzerine detaylı bir araştırma sunmaktadır. Uygulamaya yönelik ¸calışmalara ek olarak, yalnızca malzeme kimyası ve optik özellikleri açısından incelenen yeni bir çekirdek/kabuk nanokristal sistemi de geliştirilmiştir. Tezin ilk bölümünde, yüksek performanslı beyaz ısık yayan diyotlar (WLED) için optik özellikleri optimize edilmiş kadmiyum bazlı kuantum noktaları (QD'ler) geliştirilmiştir. Düşük sıcaklıkta çekirdek oluşumu ve ardından yüksek sıcaklıkta kabuk büyümesi ile sentezlenen ZnCdSe/ZnSe çekirdek/kabuk QD'leri, %94'e varan fotolüminesans kuantum verimi (PLQY) sergilemiştir. Sıvı formda LED yapılarına entegre edildiğinde, nihai cihazdaki toplam kadmiyum miktarı 100 ppm' in altında kalarak mevcut RoHS düzenlemelerine uygunluk sağlamıştır. Bu yapı sayesinde 170 lm/W' nin üzerinde lümen etkinliği elde edilmiş, simülasyon sonuçları ise ultraverimli mavi LED pompalarıyla 230 lm/W' nin üzerine çıkılabileceğini göstermiştir. Tezin ikinci bölümünde, ekran arka aydınlatma performansını artırmak amacıyla yüksek verimli yeşil CdZnSeS/ZnS ve kırmızı dev CdSe/CdS kuantum noktaları sentezlenmiştir. Neredeyse birim PLQY değerleri ve dar bant genişlikleri ile bu QD'ler, mavi LED'ler üzerine sıvı matris içinde entegre edilmiştir. Bu yapı, %39.8'e varan dış kuantum verimi (EQE) ve %133.3 NTSC renk gamı kapsamına ulaşan cihazların elde edilmesini sağlamıştır. Elde edilen sonuçlar, QD tabanlı LED'lerin geleneksel renk iyileştirme filmlerine kıyasla hem daha üstün performans sunduğunu hem de malzeme kullanımını önemli ölçüde azalttığını göstermektedir. Tezin üçüncü bölümünde, nanokristal morfolojisinin ayarlanmasıyla ek performans artışı sağlanmıştır. CdSe/CdS QD'lerinin nokta-çubuk (dot-to-rod) yapısına dönüştürülmesiyle yaklaşık 780 meV'lik büyük bir Stokes kayması elde edilerek yeniden soğurma kayıpları etkili şekilde azaltılmıştır. Bu yapılar, yeşil ışık yayan ZnCdSe/ZnSe QD'leriyle birlikte kullanıldığında, beyaz LED cihazlarında %42.9 dış kuantum verimi sağlanmış ve yalnızca QD kullanılan sistemlere kıyasla %10'un üzerinde bir iyileşme elde edilmiştir. Tezin dördüncü bölümünde, sürdürülebilirlik kaygılarını ele almak amacıyla kadmiyum içermeyen AgBiS2 nanokristalleri çevre dostu bir alternatif olarak geliştirilmiştir. Yüksek kaliteli AgBiS2 ¸çekirdekleri üzerine ZnS kabuğunun büyütülmesini sağlayan yeni bir ıslak kimyasal yöntem geliştirilmiş ve böylece AgBiS2/ZnS çekirdek/kabuk yapısı oluşturulmuştur. Bu çalışma, AgBiS2 nanokristallerinden ilk kez fotolüminesans gözlemlenmesini sağlamış; 764 nm merkez dalga boyunda ve %15.3 PLQY değeri ile raporlanmıştır. Güçlü yakın-kızılötesi (NIR) absorpsiyonu ve bol bulunan, toksik olmayan elementlerden oluşan yapısıyla bu nanokristaller, aydınlatma, biyogörüntüleme ve NIR optoelektronik gibi gelecekteki uygulamalar için umut vadetmektedir. Tezin beşinci ve son bölümünde, AgBiS2 nanokristalleri nöral arayüz cihazlarında kullanılmıştır. Yalnızca 24 nm kalınlığındaki nanokristal filmi, yapay beyin omurilik sıvısı ortamında 2.3 mA·cm−2 düzeyinde kararlı bir fotokarakteristik akım üretmiş ve 10 µC·cm−2 'nin üzerinde yük enjeksiyonu sağlamıştır. Nöronal hücrelerde sitotoksisite gözlemlenmemiştir. Yama-menteşe elektrofizyoloji kayıtları, hipokampal nöronların biyolojik olarak güvenli NIR ışık koşullarında güvenilir şekilde aktive edildiğini doğrulamıştır. Ayrıca cihazın öngörülen çalışma ömrü 12 yılın üzerinde hesaplanmış olup, bu yapıların gelecekte minimal invaziv retinal protez sistemlerinde kullanım potansiyelini ortaya koymaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışması kolloidal nanokristallerin geliştirilmesine yönelik önemli bilimsel bulgular ve uygulamaya yönelik katkılar sunmakta; yeni nesil aydınlatma, ekran ve nöroteknoloji sistemleri için sürdürülebilir ve yüksek performanslı malzeme geliştirilmesine sağlam bir temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
Colloidal semiconductor nanocrystals have gained significant interest in recent years as promising materials for next-generation optoelectronic and biomedical technologies, owing to their tunable optical properties, high photoluminescence efficiency, and compatibility with solution-processable synthesis routes. Their potential in solid-state lighting, display technologies, and neural interfaces continues to expand as performance demands increase. This dissertation presents a detailed investigation into the synthesis, structural tuning, and integration of both cadmium-based and cadmium-free colloidal nanocrystals. Alongside application-focused studies, it also introduces the development of a new core/shell nanocrystal system, investigated primarily from a materials chemistry perspective. In the first part of this thesis, cadmium-based quantum dots (QDs) were developed with optimized optical properties for high-performance white light-emitting diodes (WLEDs). The ZnCdSe/ZnSe core/shell QDs, synthesized via low-temperature nucleation followed by high-temperature shell growth, exhibited photoluminescence quantum yields (PLQYs) up to 94%. When integrated into a liquid-type LED configuration, the total cadmium content in the final device remained below 100 ppm, in compliance with current RoHS regulations. This integration led to luminous efficiency values exceeding 170 lm/W, and simulations suggested that efficiencies above 230 lm/W could be achieved using ultra-efficient blue LED pumps. In the second part of this thesis, highly emissive green CdZnSeS/ZnS and red-emitting giant CdSe/CdS QDs were synthesized to enhance display backlighting performance, yielding near-unity PLQYs and narrow emission bandwidths. When incorporated into a liquid matrix over blue LEDs, these QDs enabled devices with external quantum efficiencies (EQEs) reaching up to 39.8% and a color gamut coverage of 133.3% NTSC. These results indicate that QD-based LEDs can outperform conventional color enhancement films while significantly reducing the amount of material required. In the third part of this thesis, further improvements were achieved by tailoring the morphology of nanocrystals. A dot-to-rod transition in CdSe/CdS QDs introduced a large Stokes shift (~780 meV), effectively minimizing reabsorption losses. When combined with green-emitting ZnCdSe/ZnSe QDs, the resulting white LED devices achieved an EQE of 42.9%, representing more than a 10% improvement compared to systems utilizing QDs alone. In the fourth part of this thesis, cadmium-free AgBiS2 nanocrystals were developed as an environmentally friendly alternative to address sustainability concerns. For the first time, a novel wet-chemical method was established to grow ZnS shells on high-quality AgBiS2 cores, resulting in the formation of AgBiS2/ZnS core/shell nanocrystals. This approach led to the first reported photoluminescence from AgBiS2 nanocrystals, with emission centered at 764 nm and a PLQY of 15.3%. Their strong near-infrared (NIR) absorption and composition of earth-abundant, non-toxic elements make these nanocrystals promising candidates for future applications in lighting, bioimaging, and NIR optoelectronics. In the fifth and final part of this thesis, AgBiS2 nanocrystals were implemented in neural interface devices. A thin (24 nm) nanocrystal film generated a stable photocurrent of 2.3 mA·cm−2 and achieved charge injection levels exceeding 10 μC·cm−2 in artificial cerebrospinal fluid. No cytotoxicity was observed in neuronal cultures, and patch-clamp recordings confirmed reliable activation of hippocampal neurons under biologically safe near-infrared (NIR) light conditions. The device also exhibited a projected operational lifetime of over 12 years, demonstrating its strong potential for future use in minimally invasive retinal prosthetic systems. In summary, this thesis presents useful findings and developments in colloidal nanocrystal research, helping to build a solid base for sustainable and efficient materials in future lighting, display, and neural technologies.
Benzer Tezler
- Synthesis & characterization of CdSe/ZnS quantum dots
CdSe/ZnS kuantum noktalarının sentezi ve karakterizasyonu
HAKAN AYDIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ ÜNLÜ
- 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
- Novel biocompatible quantum dots and nanoengineered assemblies for optoelectronic neural interfaces
Optoelektronik nöral arayüzleri için yeni biyouyumlu kuantum noktaları ve nanoteknolojik birleşimler
HOUMAN BAHMANI JALALI
Doktora
İngilizce
2020
Mühendislik BilimleriKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- 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
- Dikarboksilik asit organik bağlayıcılar içeren metal organik kafes yapıların sentezi ve gaz sensör özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of metal organic framework structures containing dicarboxylic acid organic linkers and investigation of their gas sensor properties
GÜNSELİ GÜNEY
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
KimyaYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEMİH GÖRDÜK
DOÇ. DR. İLKE GÜROL