FBE- Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 39
-
ÖgeDevelopment of Multi-layer Conductive Polymer Nanocomposites for Electromagnetic Shielding Application(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017)Günümüzde insan gereksinimleri ve teknolojik ihtiyaçların birçok farklılık göstermesi nedeniyle yeni nesil katmanlı yapıların geliştirilmesine yönelik yapılan çalışmalar dikkat çekmektedir. Nano bilim, yüzey bilimi, polimer bilimi ve malzeme biliminin akademik ve ticari partnerleri yeni nesil uygulamalarda kullanılabilecek çok katmanlı yapıların geliştirilebilmesi için işbirliği yapmaktadır. Çünkü çok katmanlı ve çok fonksiyonlu yapılar aynı anda bileşenlerinden bağımsız yada daha da geliştirilmiş iletkenlik, termal özellikler, elektrokimyasal özellikler ve elektromanyetik dalgalara karşı koruma gibi pek çok özelliği bir üründe sunabilme imkanı yaratmaktadır. Bu yüzden, bu tarz çok katmanlı yapıların iletken nano kompozit tabanlı yapılar, iletken tekstiller, elektromanyetik kalkanlama materyalleri, boyalar, biyomedikal malzemeler, sensörler, çok katmanlı kapasitörler, IR dedektörleri ve holografik hafıza elemanları olarak kullanımına yönelik yapılan çalışmalarda ciddi bir artış görülmektedir. Özellikle teknolojinin gelişimine paralel olarak, hayatın her alanında, bir şekilde elektromanyetik dalgaların yarattığı kirliliğe maruz kalınmaktadır. Bu kirlilik canlının elektromanyetik dengesini bozmaktadır. Elektromanyetik dalgalar bu dengeyi bozarken vücuttaki dokuları ısıtarak ve kimyasal değişimlere yol açarak zarar vermektedir. Elektromanyetik dalgaların insan sinir hücreleri, beyin dokusu, DNA ve RNA hücre yenilenmesi, genler, bağışıklık sistemi ve metobolizma üzerindeki zararlı etkileri hakkında yapılan çalışmalar sonucunda, günümüzde yaşayan canlılar ve elektronikler üzerindeki direkt ve direkt olmayan etkileri açıkça bilinmektedir. Elektromanyetik radyasyonu azaltmak, sadece insan vücudu için değil, elektronik sistemlerin gelişimi, bilgilerin korunması, savunma sanayisinde, mikrodalga silah teknolojileri ve radarlar gibi pek çok sistem için de günümüzde elzemdir. Bu yüzden bu konuda disiplinler arası pek çok çalışma yürütülmektedir. Son yıllarda, yapıların elektriksel, manyetik, ısıl ve mekanik özelliklerini geliştirebilmek için altın, gümüş, titanyumdioksit, demir, bakır oksit, kobalt vb. gibi inorganik ferroelektrik /manyetik partiküllerin takviye olarak kullanıldığı çalışmalar yapılmıştır. Ferroelektrik malzemeler, polarizasyon prosesi yüzünden elektromanyetik dalgaları emebilirler. Günümüze kadar, kurşun tabanlı malzemeler üstün ferroelektrik ve mekanik özellikleri yüzünden bu alanda geniş bir kullanım alanı bulmuşlardır. Ancak toksik özellikleri yüzünden insan sağlığına ve çevreye verdikleri zararların araştırmalar sonucunda belirlenmesiyle beraber bu yapıların kullanımı kısıtlanmaya başlanmıştır. Bu yüzden araştırmacılar yeni malzeme arayışına girmiştir. İkinci dünya savaşında keşfedilmesinden sonra yüksek dielektrik, ferroelektrik, fotorefraktif ve pioza elektrik özellikleri yüzünden araştırmaların odak noktası olan baryum titanat (BaTiO3), özellikle sensör, çok katmanlı kapasitör, optoelektronik malzemeler ve holografik hafıza çalışmalarında kullanılmaya başlanmıştır. Sıcaklık değişimine göre beş farklı fazı olan baryum titanatın, hegzogonal ve kübik yapıları paraelektrik, tetrogonal, ortorombik ve rombohedral yapıları ise ferroelektrik özellik göstermektedir. Ferroelektrik özellikleri ve yüksek dielektrik özelliği yüzünden kurşun içermeyen malzemelere alternatif olan baryum titanat, yeni nesil elektromanyetik kalkanlama malzemelerinde kullanılmaya adaydır. Nano boyutlu baryum titanat partikülleri, makro boyutlara göre yüzey alanlarının genişliği yüzünden daha yüksek geçirgenlik ve dielektrik özellik göstermektedir. Diğer taraftan, baryum titatnatın bant genişliği miktarı yüzünden kalkanlama malzemesi olarak kullanımda yansıma kayıpları değeri istenen düzeylerde değildir. Eğer BaTiO3 iletken bir polimer ile kaplanırsa hem fizikokimyasal hem de elektromanyetik kalkanlama performansının geliştirilebileceği öngörülmektedir. İletken polimerler 1980'lerde konjuge sistemlerinden kaynaklanan, sarj transfer oranı ve elektrokimyasal yükseltgenme etkinliğine bağlı olan iletkenliklerinin keşfinden sonra, sentetik metallerin yeni bir sınıfı olarak teknolojide çok geniş bir uygulama alanı bulmuşlardır. Poliasetilen, polipirol, polianilin gibi metallere yakın iletkenlik gösteren pek çok iletken polimer sentezlenebilmektedir. Pirol türevleri suda çözünebilmeleri, yüksek reaksiyon etkinlikleri, elektriksel iletkenlikleri (doplandıklarında 100S/cm) ve düşük oksidasyon potansiyelleri yüzünden bu çalışmada katman olarak seçilmiştir. İletken polimerlere inorganik madde takviyesi pek çok istenen özellik sağlamakla beraber, genellikle işlenebilirliği zorlaştırmakta ve mekanik özellikleri etkilemektedir. İletkenlik, termal dayanım gibi özellikler, eğer esnek, maliyeti düşük ve geniş üretim alanı olan bir başka katmanın ilavesi ile geliştirilirse, yapıdaki bileşenlerin dağılımının kontrolüne bağlı olarak daha farklı özellikler yapıya kazandırılıp, mekanik özellikler ve işlenebilirlik özellikleri geliştirilebilecektir. Bu çalışmada, BaTiO3 partiküllerinin kalkanlama malzemesi oluşturması için, pirol türevlerinin kaplandığı çekirdek malzemesi olarak kullanılmasıyla, pirol türevlerinin iletkenlik, termal ve elektrokimyasal özelliklerinin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Ara katman malzemesi olarak seçilen akrilonitril kopolimeri yapının işlenebilirliğini ve esnekliğini geliştirerek, tekstil endüstrisinde kullanımına olanak sağlamak amacıyla tercih edilmiştir. Akrilonitril kopolimerleri günümüzde yüksek performanslı ürün uygulamalarında, lif, ince film ve kompozitler olarak, klasik ve teknik tekstil alanlarında, polimer elektrotlarda, kağıt yapımında, kaplamalarda, adhesiflerde, taşıt sektöründe ve plastik endüstrisinde oldukça geniş bir kullanım alanına sahiptir. Çok katmanlı nanopartikül-polimer kompoziti sentezi için uygulanan pek çok yöntem bulunmaktadır. Öz-kabuk nanomalzemeleri çekirdek ve kabuğun özelliklerinden bağımsız çok farklı, yeni özelliklerin geliştirilmesine olanak sağladığı için geniş bir ilgiye sahiptir. Farklı öz-kabuk oluşturma yöntemleri içerisinde emülsiyon polimerizasyonu kolay proses kontrolü, çözücü olarak su kullanılmasına bağlı olarak, çevreye daha az zararlı olması ve çok çeşitli ilave malzemelerinin sisteme kolayca adapte edilmesine bağlı olarak geniş bir tasarım olasılığı sunması nedeniyle tercih edilmektedir. Emülsiyon polimerizasyonu miseller üzerinden yürütülmektedir. Sulu ortamda, partiküller yüzey aktif maddeler tarafından sarılmış asılı parçacıklar oluştururlar. Bu parçacıklar misel olarak adlandırılmaktadır. Parçacıkların homojen yayılması ve polimerizasyonun her bir parçacık üzerinde meydana gelmesi sonucunda elde edilen ürünün partikül boyutu dağılımının düzgün olması sağlanmaktadır. Yüzey aktif maddeler taşıyıcı görevi yapmalarından dolayı emülsiyon sistemlerinin temelidir. Ayrıca yüzey aktif madde, son ürünün iletkenlik, stabilite, çözücülerde çözünme ve işlenebilirlik özelliklerini geliştirmektedir. Bu tezde üç farklı yayın sunulmuştur. Bu yayınlar sırasıyla, pirol türevleri (polipirol (PPy) ve politert butil 1-pirol-karboksilat (PTBPy))-poliakrilonitril-ko-metilakrilat kopolimeri P[AN-co-MA] -baryum titanat (BaTiO3) çok katmanlı öz kabuk yapısının in-sitü emülsiyon polimerizasyonu yöntemi ile dodesil benzen sülfonik asit (DBSA) yüzey aktif maddesi varlığında sentezi ve karakterizasyonu; daha sonra bu yapıların elektriksel ve elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi ve son olarak elde edilen iletkenlik ve kapasitif davranış verilerine göre nanokompozitlerin kumaşa kaplanması ve elektromanyetik kalkanlama özelliklerinin incelenmesini içermektedir. Tezin ilk bölümü nanokompozitlerin sentezi ve karaterizasyonu hakkındadır. Öncelikle en iyi verim ve iletkenlik değerlerinin elde edilmesine olanak sağlayacak, optimum şartların ve oranların uygun pirol türevleri için belirlenmesine yönelik çalışmalar yapılmıştır. Bu yüzden pirol türevleri farklı monomer, yüzey aktif madde ve başlatıcı oranları için sentezlenmiştir. Yapılan denemeler sonucunda pirol ve tert butil 1-pirol-karboksilat monomerleri yüzey aktif madde olarak DBSA ortamında bizim sistemimize en uygun olan yapılar olarak seçilmiştir. İkinci aşama olarak, akrilonitril-ko-metilakrilat kopolimeri (%85-%15) emülsiyon polimerizasyonu yöntemi ile sentezlenmiştir ve kopolimer üzerine pirol türevleri kaplanarak çift katmanlı yapının eldesi sağlanmıştır. Son adımda, emülsiyon polimerizasyonu yöntemi kullanılarak BaTiO3 – P[AN-co-MA] çift katmanlı nano kompozit öz- kabuk yapısı, BaTiO3 – PPy/TBPy çift katmanlı nanokompozit öz-kabuk yapısı ve BaTiO3 - poliakrilonitril-ko-metilakrilat - PPy/TBPy üç katmanlı nanokompozit öz- kabuk yapısı sentezlenmiştir. Sentezlenen bu nanokompozitlerin partikül boyutu, polimerizasyon verimi, kristal yapısı (XRD), kimyasal yapısı ((FT-IR ATR), (Raman), (UV-Vis), morfolojisi (SEM-EDX, TEM) ve termal özellikleri (DSC, TGA) sistematik bir şekilde incelenmiştir. Emülsiyon polimerizasyonu sonucunda homojen bir partikül boyut dağılımı elde edilmiştir. Partikül boyutlarının PPy ve PTBPy varlığında azaldığı gözlemlenmiştir. Spektroskopik analizler, baryum titanat çekirdek ile [P(AN-co-MA)]-PPy ve [P(AN-co-MA)]-PTBPy kabuk katmanları arasında kuvvetli bir etkileşimin olduğunu ve elde edilen yeni yapının farklı bir karakterinin olduğunu göstermiştir. Morfolojik analizlerde, yukardaki sonuçları destekler nitelikte polimer kabuk tarafından baryum titanat partiküllerinin kaplandığı açıkca görülmüştür. İlk bölümde üretilip karakterize edilen nano kompozitlerin elektrokimyasal davranışları ve elektriksel iletkenlikleri üzerinde her bir bileşenin ayrı ayrı ( BaTiO3, PPy, PTBPy ve [P(AN-co-MA)]) etkilerini incelemek için, nanopartiküllerin sulu emülsiyonlarının elektrokimyasal empedans spektroskopisi ve elektriksel iletkenlik çalışması tezin ikinci bölümünde açıklanmıştır. Nano partiküllerin süspansiyonları ve emülsiyonları son yıllarda dağılım davranışları, kararlılıkları, ısı iletim mekanizmaları ve elektriksel iletim mekanizmaları açısından; kaplamalar, ısı iletim sistemleri, boyalar ve biyolojik tedavi ürünlerinde kullanımlarının geliştirilmesine bağlı olarak pek çok çalışmada incelenmektedir. Bu çalışmalar içerisinde suda dispers edilmiş emülsiyon çözeltilerinin elektriksel iletkenliği ile ilgili yapılan çok çalışma bulunmamaktadır. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ve eşdeğer devre modellemesi (ECM) nanopartiküllerin BaTiO3, [P(AN-co-MA)], PPy, ve PTBPy varlığında elektriksel ve kapasitif özelliklerindeki değişimin, yük taransfer direnci ve spesifik kapasitans değerleri kullanılarak kıyaslanmasını sağlamaktadır. Eş değer devre modellemesi empedans davranışını simüle etmemize ve bu sayede elektro kimyasal davranışını açıklamamıza deneysel veriler ışığında olanak sağlamaktadır. Elektrokimyasal empedans verileri PPy kaplı nano kompozitlerin kapasitif özelliklerinin çok iyi olduğunu kapasitör gibi davrandıklarını ve kapasitans değerlerinin BaTiO3 varlığında arttığını göstermiştir. İletkenlik değerinin ise BaTiO3 ve P[AN-co-MA] arasındaki etkileşime bağlı olarak arttığı gözlemlenmiştir. Diğer yandan PTBPy kaplı nano kompozitlerde kapasitans değerinin BaTiO3 ve P[AN-co-MA] varlığında arttığı belirlenmiştir. Eşdeğer devre modellemesi deneysel EIS spektrası verileri varlığında değerlendirilmiş ve deneysel veriler ile öngürülen parametreler arasında 10−3 civarında bulunan Chi-square (χ2) değeri ile mükemmel bir uyum gözlemlenmiştir. Toplam şarj transfer direnci (Rct) değerindeki artış nanokompozitlerin boyut ve yüzey alanlarına bağlı olarak artmaktadır. Nanokompozit içeren emülsiyonun iletkenlik değerleri ölçüm sonuçları iletkenliğin BaTiO3, PPy, ve PTBPy ilavesine bağlı olarak arttığını göstermektedir. Atomik güç mikroskobu (AFM) ölçümleri BaTiO3-P[AN-co-MA]-PPy nanokompozitlerinin düzenli sıralanmış yarı küresel şekilli nodüller şeklinde olduğunu göstermiştir. Tezin son bölümünde BaTiO3 ve BaTiO3- P[AN-co-MA] kaplanmış kumaşlar üzerine in situ kimyasal polimerizasyon ile pirolun polimerleştirilmesi sonucunda çok katmanlı bir kumaş kompozit yapısı oluşturulmuştur. Elde edilen bu yapıların elektromanyetik kalkanlama etkinliği (EMSE), iletkenliği, kimyasal yapısı ve polimerizasyon etkinliği üzerinde yapıya katılan BaTiO3, PPy ve BaTiO3-[P(AN-co-MA)]'nin ayrı ayrı etkisinin gözlemlenebilmesi amacıyla spektroskopik ölçümleri, renk ölçümleri ve morfolojisi karakterize edilmiştir. Tekstil tabanlı kaplama alt katmanları geniş yüzey alanları, porlu yapıları ve mekanik özellikleri yüzünden pek çok avantaja sahiptir. Selülozdan oluşan pamuklu yüzeyler, tekstil tabanlı yapılar içerisinde binlerce yıldır tekstil endüstrisinde en çok kullanılan malzemedir. 2016 dünya lif kullanım verileri, tüm kullanılan tekstil liflerinin yaklaşık %36 sının selüloz tabanlı ve bunlarında %67 sinin pamuk lifinden oluşan yapılar olduğunu göstermektedir. Pamuk lifi kristalin yapısı, geniş yüzey alanı ve hidrofilik fonksiyonel hidroksil grupları yüzünden kaplama yada polimerizasyon proseslerinde yüksek verimlilik eldesi sağlamaktadır. Bilindiği üzere diğer tekstil ürünleri gibi pamuklu ürünlerde yalıtkandır. Elektromanyetik kalkanlama, elektromanyetik alanın iki saha arasındaki etkisinin kısıtlanması yani elektromanyetik dalgaların yolunun kesilmesi ve onların direncini kırma işlemi olarak belirlenebilir. Özel tasarlanmış tekstil yapıları farklı frekans aralıklarında ve farklı koruma etkinlik alanlarında (dB) %99'dan daha yüksek değerlerde koruma ile elektromanyetik kalkanlama sağlayabilmektedir. Elektromanyetik kalkanlama özelliği, yapının iletkenliği, manyetik geçirgenliği ve kompleks dielektirik içeriğinin maksimize edilmesi sonucu maksimum olur. Bu yüzden, kalkanlama özelliği olan tekstil yapılarının eldesi için öncelikle o yapının iletken olması ya da iletken hale getirilmesi gerekmektedir. Bu bölümde kaplanan ve pirolün üzerinde polimerleştirildiği kumaş kompozitlerinin kalkanlama özellikleri ASTM D4935-10 standartına göre cep telefonları, wireless, radarlar ve diğer elektronik cihazların çalışma frekanslarını içeren 15–3000 MHz frekans aralığında ölçülmüştür. Polipirol kaplanmış kumaşlar 2000-2300MHz aralığında en yüksek EMSE performansını göstermişlerdir. Diğer yandan, iletkenlik değeri PPy ve BaTiO3-P[AN-co-MA] ilişkisi ile artmaktadır. BaTiO3 kaplanan tüm kumaşların elektriksel iletkenliğinin kaplanmayanlara göre arttığı gözlemlenmiştir. Elde edilen iletkenlik ve kalkanlama sonuçlarına göre, sentezlenen nanokompozit tabanlı malzemelerin evlerde, temiz odalarda, laboratuvarlarda, hastanelerde, bebek odalarında kaplama malzemeleri olarak veya çalışma alanlarında perde, halı, askeri kıyafet, radar absorblama malzemeleri ve akıllı tekstil yada sensör uygulamalarında kullanılabileceği öngörülmektedir.
-
ÖgeCombustion synthesis and characterization of molybdenum and boron containing multicomponent composite materials(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019)Günümüzde, dünya tungsten madeni üretiminin %85'ini karşılayan Çin Halk Cumhuriyeti'nin, iç piyasasındaki aşırı talepler ve ihracatta uyguladığı tekelci politikası nedeniyle, az veya hiç tungsten içermeyen yüksek sıcaklık, aşınma ve korozyona dayanıklı alternatif malzemelere olan arayış hızlanmıştır. Bu bağlamda, özellikle tungsten karbür – kobalt (WC-Co) gibi metal matrisli kompozitlere alternatif olabilecek Mo2NiB2-Ni, Mo2FeB2-Fe, MoCoB-Co gibi üçlü borür bazlı sermetler (Ternary Boride Based Cermets -TBBCs) mükemmel mekanik, aşınma, korozyon dayanımı gösteren malzemeler olup, günümüzde çok yeni çalışılan konular arasındadır. Reaksiyon borlayıcı sinterleme (reaction boronizing sintering) yöntemiyle üretilen bu yeni sermetlerin üretim aşaması sırasıyla bilyalı değirmende pahalı saf metal veya karbonil (Mo, Ni, Cr, Fe..) ve ikili borür tozların (Ni2B,VB…) karıştırılması, kurutulması, granüle edilmesi, preslenmesi ve sinterlenmesi kademelerini içermektedir. Bu tez çalışmasında, bu metal matrisli kompozitlerin, kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi (self-propagating high temperature synthesis - SHS) yöntemiyle daha ucuz, kolay ve saniyelerle ifade edilebilecek şekilde hızlı üretilebileceğini ön görmekteyiz. Önerilen SHS metodunda, altı reaksiyon safhası birkaç saniye içerisinde tamamlanan tek bir süreç adımından oluşmaktadır. Bunlar; i) metal oksitler ve bor oksitin Al ile redüksiyonu, ii) yüksek miktardaki ısı enerjisinin ortaya çıkışı, iii) redüklenmiş metal matrisin erimesi (Ni, Fe veya Co), iv) ilave edilmiş üçlü borürlerin sentezi (Cr, V, Nb, Mn, Ta gibi elementler içeren Mo2NiB2, MoCoB veya Mo2FeB2), v) oluşan borürlerin metal matris içerisindeki dispersiyonu, ve vi) faz ayırımı (sermet-curuf) ve soğumadır. Açık atmosferde gerçekleştirilen SHS deneylerinde, güç kaynağından direnç teline elektrik verilip, direnç telinin şarjı tetiklemesiyle reaksiyon başlamıştır. Potanın soğumasının ardından, metal ve curuflar kırılarak ayrılmış ve analiz işlemleri uygulanmıştır. Adyabatik şartların geliştiği bu sistemlerde oluşan ısının tümünün sıcaklığa çevrildiği varsayılmaktadır. Ekzotermik SHS reaksiyonları sırasında açığa çıkan enerji, reaksiyonların sıcaklıklarını arttırmakta ve bu sıcaklıklarda molibden, nikel, demir, kobalt ve bor sıvı fazda bulunmaktadır. İlk aşamada, çeşitli termokimyasal veritabanlarıyla olası SHS ürün kompozisyonlarının ve adyabatik sıcaklarının tahmini sonrası, SHS deneylerinde, başlangıç karışımında farklı metal oksitlerin oranları, redükleyici ilaveler ve ısı bastırıcı etkileri incelenmiştir. Elde edilen ürünler spektral analiz, atomik absorbsiyon spektrometresi (AAS), X-ışınları floresans (XRF), X-ışınları difraksiyonu (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dispersif spektrometresi (EDS) , mikro sertlik ve diğer mekanik test yöntemleriyle karakterize edilmiştir. İkinci aşamada, Cr, V ve Mn gibi elementlerin ilavesiyle elde edilmiş Mo2NiB2-Ni, Mo2FeB2-Fe, MoCoB-Co sermetlerin ucuz hammaddelerden yola çıkarak kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi üzerine yoğunlaşılmıştır. Bu yaklaşım bu metal matrisli kompositlerin tek adımda üretimine (in-situ SHS, yerinde SHS) imkan sağlamıştır. Üçüncü aşamada, tavlama ve vakum ortamında ergitme gibi proseslerin elde edilen malzemelerin mikroyapısı, sertliği ve fazları üzerinde etkisi incelenmiştir. Mo-Ni-B sistemi üretimindeki ilk çalışmalarda, farklı miktarlarda redükleyici Al ilavesinin (stokiyometrik x0.85-1.15) ve toplam şarj ağırlığının %10'una kadar Al2O3 ilavesinin etkisi araştırılmıştır. Stokiyometrinin 1.05 katı Al ve toplam şarj ağırlığının %5'i kadar Al2O3 ilavesi en yüksek kazanım verimi (~%82) olarak bulunmuştur. Kullanılan oksit oranlarının mikroyapı ve faz içeriğine olan etkilerinin araştırıldığı deneylerde NiO, Fe2O3, CoO ve B2O3 oranları değiştirilmiştir. Ancak elde edilen veriler sonucunda, her ne kadar istenilen intermetalik oluşumlar elde edilebilse de, Mo-Ni-B, Mo-Fe-B ve Mo-Co-B sistemi ürünlerin çoğunda yüksek miktarda redükleyici olarak kullanılan alüminyuma (≤ ağ.% 16 Al) ve ısıtma telinden gelen bakıra (≤ ağ.% 6 Cu) rastlanmıştır. Ayrıca, bu ikili intermetaliklerin oluşum esnasında çıkardığı ilave ısı (ekzotermik) adyabatik sıcaklığı daha da yükselttiği; dolayısıyla boroksitin ve diğer oksitlerin bir kısmının redüklenmeden buharlaşmasına neden olduğu görülmüştür. Ürünlerde istenmeyen Al ve Cu birikimlerini minimize etmek amacıyla bazı değişikliklere gidilmiştir. Öncelikle Cu içeriğini azaltmak amacıyla, reaksiyonu başlatan tungsten direnç telinin bakır tel ile birleşim noktaları alümina termoçift kılıf içerisine gizlenmiştir. Bu sayede bakır tellerin yüksek sıcaklıktaki ergimiş alaşımla teması kesilmeye çalışılmıştır. Ürün içerisinde kalan Al'u gidermek için ise, her bir hammadde bileşimi için termokimyasal hesaplama yöntemiyle, ayrı ayrı çalışmalar yapılmıştır. Böylece, stokiyometrik ve katları Al ilavesi yerine, en yüksek ürün veriminin ve içerisinde en az Al'un çözüneceği şartlar hesaplanarak yüksek miktarda B2O3ve düşük miktarda redükleyici Al kullanılmıştır. Mo-Ni-B, Mo-Fe-B ve Mo-Co-B sistemlerinde Al içeriği yaklaşık olarak %2-3 arasına, Cu içeriği ise %0.07-0.5 arasına kadar başarıyla indirilebilmiştir. İstenilen Mo2NiB2, Mo2FeB2, Mo2CoB2 fazları başarıyla elde edilmiştir. Mo-Ni-B, Mo-Fe-B ve Mo-Co-B sistemi ürünlerinde ortalama sertlik değeri 950 -1100 HV arası bulunmuştur. İki 48Mo-46.5Ni-4.5B ve %34Mo-%60-%5B kompozisiyonu, ayrıca tekrar ergitmenin ve homojenizasyonun etkilerinin incelenmesi amacıyla vakum ark ergitme cihazında ergitilmiştir. NI14M ve Ni15M olarak isimlendirilen bu ürünler, birkaç kere vakuma alma-argon verme işlemi sonrasında ergitilmiş, ardından XRF, SEM, XRD ve sertlik testlerine tabii tutulmuştur. Bu ürünler üzerinde vakum ark ergitme ile yapılan homogenizasyon deneyleri sonucunda serlik değerlerinde yaklaşık 100 HV değerinde azalma olmuştur. Bu durum, ergitme sonrası numunelerin daha tok yapıya dönüştüklerinin göstergesi olmuştur. Cr, Mn ve V ilaveleri gerçekleştirilmiştir. Mo2NiB2 fazı içersine özellikle Cr ilave edildiğinde M3B2 olarak tarif edilen (Mo-Ni-Cr)3B2 tipi faz oluşmuştur. Bu faz ortorombik Mo2NiB2 fazından farklı olarak tetragonal yapıdadır. Mo-Ni-B-X (X=Cr, Mn veya V) sistemlerinde alaşım ilavesiz ürüne (908.7 HV) göre sertlik değerlerinde bir miktar azalma olduğu görülmüştür. Mo-Fe-B-X (X=Cr, Mn veya V) sistemlerinde içerisinde Mn ilavesi 996.7 HV ile en yüksek sertlik değeri göstermiştir. Mo-Co-B-X (X=Cr, Mn veya V) sisteminde tüm alaşımlar içerisinde Mn ilaveli (1249.8 HV) numune en yüksek sertlik değeri göstermiştir. Pota içerisinde konan hammadde toz karışımının reaksiyon öncesi sıkıştırma çalışmalarında 0-60 bar arası yük kullanılmıştır. Ancak metal kazanım verimine bu yükün büyük bir etkisi olmadığı anlaşılmıştır. Sonuçlar, farklı parametrelerin kalıntı Al, mikroyapı, faz bileşimi ve kütle (bulk) numunelerin mekanik özellikleri üzerindeki etkisine ilişkin olarak tartışılmıştır. Hem B2O3 / Al oranının (0.28'den 0.72'ye kadar) hem de MoxOy / MoO3 oranının (0.58'den 1.5'e kadar) arttırılması, kalıntı Al miktarını önemli ölçüde azaltmış ve ürünlerdeki üçlü borür fazlarını arttırmıştır. SHS ile sentezlenen 46.5Mo-47.5Ni-5.5B ve 60Ni-35Mo-5B kompozitlerde, yüksek sertlik, yüksek aşınma direnci, en düşük kalıntı Al ve yüksek miktarda Mo2NiB2 fazı görülmüştür. Bu kompozitler, Mo2NiB2 takviyeli Ni3Al / Ni20Al3B6 matristen oluşmuştur Mo-Ni-B, Mo-Fe-B ve Mo-Co-B sistemlerinde kompozitlerin mikrosertlik değerleri 1300 HV'ye kadar ulaşılmıştır.
-
ÖgeFarklı Lantanit Grubu Elementler Doplanarak Elde Edilen Lüminesans Malzemelerin Üretimi Ve Karakterizasyonu(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019)Bazı maddelerin uyarıldığında, sıcaklığını değiştirmeden elektromanyetik radyasyon yayması olayına lüminesans denilir. Buna göre; - uyarıcı kaynak olarak foton kullanılıyorsa – fotolüminesans, - uyarıcı kaynak olarak X-ışınları kullanılıyorsa – radyolüminesans, - uyarıcı kaynak olarak elektronlar kullanılıyorsa – katodolüminesans, - uyarıcı kaynak olarak elektrik alan kullanılıyorsa – elektrolüminesans olarak adlandırılır. Nadir toprak elementleri ile katkılandırılmış lüminesans malzemeler, katod ışını tüpleri, biyolojik floresan etiketleme, alan emisyon ekranları gibi çok çeşitli uygulama alanlarında kullanılabildiğinden oldukça dikkat çekmektedir. Nadir toprak elementlerini barındırabilecek çok sayıda matris malzeme vardır. Bununla birlikte, itriyum oksit (Y2O3), evropium, erbiyum, terbiyum ve tulyum gibi nadir toprak elementleri için umut verici bir matris malzemedir. Ayrıca, mükemmel kimyasal ve termal stabiliteye, iyi termal iletkenliğe, düşük fonon enerjisine, yüksek ergime noktasına, yüksek kırılma indisine, büyük enerji bant boşluğuna ve geniş geçirgenlik özelliklerine sahiptir. Tüm nadir toprak iyonları, doldurulmamış bir iç 4f kabuğundan ve dış dolu 5s2 ve 5p6 kabuklarından oluşan elektronik bir yapıya sahiptir. Doldurulmamış 4f kabuğunun olması eşsiz optik, elektriksel ve manyetik özellikler kazandırır. Ayrıca, 4f elektronları, 5s2 ve 5p6 kabuklarının olmasından dolayı ortamdan etkilenmez. Dolayısıyla, konfigürasyon 4f'deki optik geçişler çevre koşullarından veya kristal elektrik alanından (Ce3+ hariç) fazla etkilenmez. Nadir toprak oksitler, yüksek dielektrik sabitleri, mekanik dayanım, iyi koruyucu davranış, yüksek ergime noktaları, mükemmel ısıl direnç ve parlaklık gibi olağanüstü kimyasal ve fiziksel özelliklere sahiptir. Literatürde nadir toprak katkılı Y2O3 malzemeleri hakkında birçok çalışma vardır. Bu çalışmalar genellikle bu tozların üretimi ve karakterizasyonuna odaklanmıştır. Bu nanofosforların fotolüminesans (PL) davranışları üzerine birçok çalışma vardır. Ancak, ürettiğimiz tozların radyolüminesans (RL) davranışı ile ilgili sadece iki çalışma, sintilatör uygulamaları için rapor edilmiştir. İnce filmler üzerinde yapılan çalışmalar, tozlar üzerine yapılan çalışmalarla karşılaştırıldığında oldukça sınırlıdır. Ayrıca, saydam elektrolüminesans (EL) ince film çalışmaları son derece sınırlı sayıdadır. Bu nedenle, bu tezde nadir toprak elementleriyle (Eu, Er, Tb, Tm) katkılı Y2O3 tozları sol-jel yöntemiyle üretildi. Daha sonra XRD, SEM, UV-Vis, XPS, Raman ve fotolüminesans (PL) analizleri yapıldı. Ek olarak, üretilen tozların radyolüminesans (RL) davranışları, sintilatör uygulamaları amacıyla incelenmiştir. İnsanlar tarafından algılanan gerçek emisyon renkleri emisyon spektrumundaki karakteristik emisyon tepe noktalarından doğrudan anlaşılamadığından dolayı, PL ve RL emisyon renkleri CIELab renk uzay koordinatlarına dönüştürülmüştür. Ayrıca, proses parametrelerinin nanofosforların emisyon rengi üzerindeki etkilerini istatistiksel olarak incelemek için, ANOVA gibi istatistiksel deneysel değerlendirme tekniklerinin kullanımı kolaylaşmıştır. Üretilen ince filmler ayrıca XRD ile karakterize edilmiş ve elektrolüminesans davranışları incelenmiştir. Tez iki aşamadan oluşmuştur. İlk aşamada, hedef malzeme olarak kullanılacak tozlar (Er, Eu, Tb, Tm ve ikili-katkılı Y2O3 tozları) sol-jel yöntemiyle üretildi. Bu yöntemde, çözücü olarak su, başlangıç malzemeleri olarak nitrat tuzları kullanıldı. Üretilen tozlar, soğuk izostatik preste (CIP) basıldı ve elektron demeti (e-demeti) buharlaştırma ve darbeli elektron demeti (darbeli e-demeti) buharlaştırma yöntemleri ile İTO kaplı cam üzerine ince film halinde biriktirilmiştir. Nadir toprak katkılı Y2O3 tozları, XRD analizlerine göre hacim merkezli kübik (uzay grubu: Ia-3) yapıya sahiptir. Ayrıca, SEM analizleri tozların nanoyapılı olduğunu ortaya çıkardı. Er katkılı toz numunelerin Raman analizinde Er katkı elementine ait piklerin varlığı belirlendi. XPS analizi de Y2O3 matris yapısındaki Er katkı elementinin varlığını doğruladı. Radyolüminesans (RL) ölçümleri, bu tozların yeşil ve kırmızı bölgelerde güçlü emisyon gösterdiğini ortaya koydu. Kalsinasyon sıcaklığı arttıkça, RL emisyon rengi yeşil bölgeye kaymıştır. RL deneylerinde Cu-Kα radyasyonu (0.15406 nm) kullanılmasından dolayı, çok yüksek emisyon şiddetleri elde edildi. Bununla birlikte, Er katkılı ince film numunesinin elektrominesans ölçümlerinde emisyon gözlenmedi. Tüm bu sonuçlar Er katkılı numunelerin fotolüminesans ve elektrolüminesans uygulamaları için uygun olmadığını, ancak radyoluminesans uygulamaları için uygun olduğunu göstermektedir. Eu katkılı toz numuneleri üzerine yapılan XPS incelemeleri, Eu katkı elementinin artmasıyla oksit yapısındaki Eu3+ iyonlarının, Eu2+ iyonlarına oranla arttığını göstermiştir. Fotolüminesans ölçümlerinde artan katkı oranı ile emisyon şiddetinde bir artış gözlenmiştir. Ek olarak, örneklerin bant aralığı değeri, katkı oranı arttıkça 3.80 eV'den 3.41 eV değerine düşmüştür. Tozların en şiddetli fotolüminesans emisyonu, C2 alanlarından geçiş yapan elektron-dipol (ED), 5D0 - 7F2'ye karşılık gelen 611 nm dalga boyunda (kırmızı emisyon) meydana geldi. Ayrıca (2J+1) ayrışmasından dolayı 614, 623 ve 631 nm'de küçük pikler açığa çıkmıştır. Bu piklerin şiddeti artan katkı oranı ve a*'yı (kırmızılık) arttıran kalsinasyon parametreleri ile artmıştır. Ek olarak, hem C2 hem de C3i bölgelerinden 5D0 - 7F1 manyetik dipol geçişlerine (MD) karşılık gelen 587, 592 ve 601 nm'de küçük pikler açığa çıktı. Bu piklerin şiddeti artan katkı oranı ve b*'yi (sarılık) arttıran kalsinasyon parametreleri ile artmıştır. Ayrıca ANOVA analizlerine göre katkı oranı ile kalsinasyon sıcaklığı arasında istatistiksel olarak anlamlı bir etkileşim bulundu. Eu3+ iyonları etrafındaki simetriyi arttıran kafes gerinimi-kalsinasyon sıcaklığı ilişkisine bağlandı, bu durum MD geçişlerinde bir artışa neden oldu. Fotolüminesans ölçümlerindeki piklere ek olarak, RL ölçümlerinde ilave pikler de gözlendi. Kalsinasyon sıcaklığı arttıkça, RL emisyon rengi kırmızı bölgeye kaymıştır, çünkü C2/(C2+C3i) emisyon oranı artan kristalit boyutuyla birlikte artmıştır. e-demeti buharlaştırma yöntemiyle elde edilen Eu katkılı ince film kaplamaların elektrolüminesans ölçüm sonuçları, tozların 611 nm dalga boyunda fotolüminesans ölçümlerindeki gibi güçlü bir pik göstermiştir. Darbeli e-demeti buharlaştırma yöntemiyle elde edilen ince filmin elektrolüminesans (EL) emisyon davranışının edemeti buharlaştırma yönteminden daha zayıf olduğu görülmüştür. Tb katkılı, Tm katkılı ve Tb:Tm ikili-katkılı toz örneklerinin XPS analizi, matris yapıdaki katkı elementlerinin varlığını doğruladı. RL ölçümlerinde, Tb katkılı tozların yeşil emisyon ve Tm katkılı tozların mavi emisyon sergilediği görülmüştür. Her iki kaplama yöntemiyle elde edilen kaplamaların EL ölçümleri sırasında, dielektrik cam plaka ile kaplama arasındaki gaz molekülleri (hava) elektrik alanın etkisiyle iyonlaşmıştır. Bu durum, oksijen ve azot plazması oluşumuna neden oldu. Numuneyi 200 - 300 nm aralığında uyarabilecek plazma emisyonu gözlenmedi. Bu nedenle, plazmanın ve kaplamanın emisyon tepeleri kolayca ayırt edilebilmiştir. Böylece, numunelerin EL karakteristik emisyonlarının (Tb katkılı, Tm katkılı ve Tb: Tm ikili-katkılı) kaplamaya ait olduğu sonucuna varılmıştır. Tb katkılı ince film numunesinin EL ölçümleri sonucunda 471, 483, 492, 523, 545 ve 585 nm dalga boylarında karakteristik emisyonlar (yeşil emisyon) gözlendi. Bununla birlikte, Tb:Tm ikili katkılı ince film numunesinin EL ölçümünde mavi emisyon sergilemiştir. Her ne kadar Tm katkılı ince film zayıf mavi emisyon şiddeti sergilese de, Tb katkı elementi ile birlikte ikili-katkılı ince filmlerin mavi EL emisyon şiddetlerinin arttığı gözlendi. Tb katkı elementinin karakteristik emisyonuna ek olarak, Tb:Eu ikili-katkılı ince film numunesinde EL spektrumunda 614 nm civarında ilave pikler elde edilmiştir. Eu katkı elementine ait yaklaşık 708 nm'de EL emisyonu da gözlenmiştir. Bununla birlikte, sadece Eu katkısıyla elde edilen güçlü 611 nm'deki pik, Tb ile birlikte katkılama yapıldığında gözlenmedi. Tb:Eu ikili katkılı ince film numunesinin EL ölçümünde beyaz emisyon sergilemiştir.
-
ÖgeNano-fotokatalitik Malzeme Üretimi, Karakterizasyonu Ve Fotokatalitik Performans İncelemesi(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019)Çevre kirliliği günden güne artmakta ve tüm canlılığı ciddi olarak tehdit etmektedir. Su ve Toprak tüm canlılar için yaşam anlamına gelmektedir. İnsan kaynaklı aktivitelerin sonucu olarak ortaya çıkan genel kirleticiler pestisitler, plastikler, toksik organik bileşikler, boyar maddeler, inorganik bileşikler, uçucu organik bileşikler gibi kimyasal maddelerdir. Endüstriyel işlemlerden kaynaklanan kirletici maddeler arıtılmadan önce su ortamına bırakıldığında, bu toksik kirleticiler ciddi çevre sorunlarına neden oluyor. Dolayısıyla, özellikle, atık suların arıtılması için etkili ve çevre dostu yöntemlerin geliştirilmesi gerekmektedir. Su ortamındaki organik kaynaklı kirliliği kontrol altına almak ve azaltmak için çeşitli kimyasal, fiziksel ve biyolojik teknikler bulunmaktadır. Atık suların ıslah edilmesinde kullanılan yöntemler arasında, ileri oksidasyon prosesi (İOP) atık sulardaki organiklerin kirliliklerin zararsız hale getirilmesinde yöntemin basitliği, verimliliği ve kolay kullanımı nedeniyle artan bir şekilde kabul görmektedir. İOP' deki temel mekanizma, üretilen hidroksil radikalleri (·OH) gibi oldukça reaktif serbest radikallarin elektrofil özelliklerinden dolayı sulu ortamdaki organik moleküllerin zararsız bileşiklere parçalanmasına neden olmasıdır. Yarıiletken kullanan heterojen fotokatalitik işlemler, İOP'lerde organik kirliliği ya daha az zararlı bileşiklere dönüştürür ya da onu tamamen CO2 and H2O suya dönüştürecek şekilde parçalar. Fotokatalitik uygulamalarda kullanılan birçok yarıiletken malzeme bulunmaktadır. Heterojen fotokatalitik uygulamalar için dar bant aralığına sahip nitrür ve sülfür tabanlı malzemeler uygun olmasına rağmen sulu ortamdaki kararlılıkları temel sorundur. Fotokatalitik uygulamalarda kullanılan TiO2 and ZnO gibi geleneksel oksit yarıiletkenler geniş bant aralıklarından dolayı güneş spektrumunun ultraviyole bölgesinde aktiftirler. Ancak, güneş spektrumuna bakıldığında güneş ışımasının %52'si yakın-kızılötesi (700 nm-2500 nm), %43' ü görünür (400 nm-700 nm) ve sadece %5'i ultraviyole'den (300 nm-400 nm) oluşmaktadır. 2,0-2,2 eV bant aralığı ile görünür bölgede aktif olan α-Fe2O3 güneş ışımasının yaklaşık %40 'ından faydalanabilmekte ve sulu ortamlarda da yüksek kararlılık göstermektedir. Bununla beraber, α-Fe2O3 çevre dostu ve en ucuz yarıiletken malzemelerden biridir. Bilindiği gibi, nano malzemelerin özellikleri boyut, morfoloji ve mimari yapılarına bağlı olarak değişmektedir. Dahası, malzemenin optik ve fizikokimyasal özelliklerine oldukça güçlü bir şekilde bağlı olan heterojen fotokatalitik reaksiyonlarda morfoloji ve boyut daha da önemli hale gelmektedir. Bu çalışmada, buraya kadar belirtilen kavramlar dikkate alındığında görünür bölgede çalışan hematit nano fotokatalizörler çeşitli morfoloji ve boyutlarda hidrotermal yöntemlerle ve kurban altlık yöntemleriyle sentezlendi. Mezoporoz boşluklu yapıların heterojen fotokatalitik reaksiyonlardaki avantajlarından faydalanmak için küresel boşluklu hematit nano tozlar sentezlenmektedir. Boşluklu mezoporoz hematit nano yapılar karbonumsu sert altlıklardan solvotermal yöntem ile sentezlenmektedir. Glikozdan sentezlenen sert altlık karbonumsu monodispers küreler solvotermal yöntem ile demir iyonlarıyla kaplanmaktadır. Karbonumsu kürelerin iyon değişimiyle demir iyonları ile kaplanması sonrası hem sert altlığı yapıdan uzaklaştırmak hem de hematit faz yapısının elde edilmesi için elde edilen yapılar 450 ͦC 'de 2 saat boyunca ısıl işleme tabi tutulmaktadır. Sentezlenen mezoporoz monodispers yapıdaki hematit nano tozların fotokatalitik testlerinde sulu çözeltideki RhB' nin %82'sini yarım saatte parçaladığı gözlemlenmektedir. Görünür bölgede aktif (Eg=2,11 eV) ve yüksek fotokatalitik performanslı bu nano-tozların, sentezleme süreçlerinin uzunluğu/kompleksliği ve süreç sonunda ağırlıkça düşük miktarda fotokatalizör sentezlenmesi dezavantajlı yanlarıdır. Farklı morfolojide hematit yapılar sentezlemek için öncesinde 3 farklı içerikle solvotermal olarak sentezlenen bakır oksit (CuO) nano-çubuklar kurban altlık olarak kullanılmaktadır. 200 ͦC' de 12 saat süre ile hidrotermal olarak sentezlenen hematit tozlar çeşitli morfolojilerde, boşluklu küresel yapılardan pseudo-kübik yapılara ve nanoflakelerden boşluklu kapsül şeklindeki yapılara kadar, farklı oranlarda kullanılan kurban altlık bakır oksit nano-çubuk ve kimyasallar ile sentezlenebildi. Fotokatalitik verimlerine bakıldığında, 1,71 eV ile 2,08 eV arasında optik bant genişliğine sahip tozlar, farklı fotokatalitik performanslar sergilemektedir. Bu yöntem ile sentezlenen tozlar içerisindeki en yüksek performansı 2,01 eV optik bant genişliğine sahip 30 dakikalık periyotta RhB' nin %97' sini parçalayan mezoporoz kapsül morfolojideki hematit tozlar sergilemektedir. Yapılan diğer toz sentezleme çalışmasında, herhangi bir sert altlık kullanılmadan, demir nitrat nonahidrat (Fe(NO3)3·9H2O) tuzundan doğrudan hidrotermal yöntem ile çeşitli morfolojilerde ve boyutlarda hematit tozlar üretilmektedir. Farklı yüzey aktif maddelerin ve farklı inorganik bileşiklerin kullanıldığı yöntemde, altıgen plakasal morfolojiden, nanotüp morfolojiye ve daha birçok morfolojide hematit tozlar, 160 ͦC'de 12 saat süreyle hidrotermal yöntem ile sentezlenmektedir. Doğrudan hidrotermal yöntem ile sentezlenen çeşitli geometrilerdeki tozlar 1,89 eV ile 2,12 eV arasında optik bant aralığına sahiptiler. Bu yöntem ile sentezlenen tozlar içerisindeki en iyi fotokatalitik performansı, 2,06 eV optik bant genişliğine sahip yaklaşık 150 nm boyutundaki çubukların ve 150 nm çapındaki küremsilerin topaklanarak 3-4 μm boyutlarındaki küreleri oluşturan mezoporoz morfolojideki küresel tozlar sergilemektedir. Bu tozlar, 30 dakikada çözeltideki RhB' nin %93'ünü parçalamaktadır. Sentezlenen tozlardan seçilen 3 farklı morfolojideki tozlar, yüzey plazmon rezonans etkisiyle fotokatalitik performanslarını daha da artırmak amacıyla soy metal altın nanopartiküller ile dekore edilmektedir. Altının hematit yapıların yüzeyine dekore edilmesinde altın kaynağı olarak tetrakloroaurik (III) asit trihidrat (HAuCl4·3H2O) ve redükleyici olarak sodyum sitrat tribazik dihidrat (C6H5Na3O7.2H2O) kullanıldı. Lokalize yüzey plazmon rezonansı etkisiyle, altın nanopartiküller ile dekore edilmiş yarıiletken hematit tozların fotokatalitik verimleri %17 ile %37 arasında değişen oranlarda başarıyla artırılabildi. Bu çalışma kapsamında, fotokatalitik performansın artırılması için uygulanan diğer yöntem p-n bağlantılı 2D Fe2O3–CuO nanokompozit tozların sentezlenmesidir. Ayrı ayrı sentezlenen CuO ve Fe2O3 tozlar, 2D Fe2O3–CuO nanokompozit formda sentezlendiklerinde de kendi özgün şekillerini muhafaza etmekteydiler. 30 dakikalık ışık uyarımlı zaman dilimi dikkate alındığında, 2D Fe2O3–CuO nanokompozit olarak üretilen tozlar sinerjik etkinin yardımıyla, CuO plakalardan yaklaşık 2,2 kat ve α-Fe2O3 nanopullardan da 1,4 kat daha iyi performans sergilemektedir. Yüksek fotokatalitik aktivite gösteren hematit nanopartiküller morfolojik ve mimari özelliklerden faydalanılarak başarıyla üretildi. Yüksek performans gösteren hematit nano tozlardan bazıları, görünür bölgedeki fotokatalitik verimlerini daha da artırmak amacıyla plazmonik altın nanopartiküller ile dekora edildi. Bu tez kapsamında, heterojen fotokatalitik uygulamalarda kullanılan ZnO ve TiO2 tabanlı geleneksel fotokatalizörlerden daha yüksek performans sergileyen, ucuz ve çevre dostu α- Fe2O3 nano tozlar görece daha ucuz ve basit olan hidrotermal yöntem ile başarıyla üretildi ve morfolojik yaklaşımların avantajları kullanılarak geliştirildi.
-
ÖgeOrganik Yarıiletken Tabanlı Fotovoltaik Aygıtlar İçin Şekilli İnce Film Altlıkların Kullanımı Ve Etkilerinin İncelenmesi(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019)Fotovoltaik etkinin keşfedilmesi ile güneş enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülebilir hale gelmiştir. Yapılan araştırmalar ve geliştirilen sistemler ile güneş enerjisi yenilenebilir enerji kaynakları arasında ilk sıralara yerleşmiştir. Fotovoltaik hücrenin çevrim veriminin arttırılması için maliyetlerin düşürülmesi veya üretim verimlerinin arttırılması gerekmektedir. Kullanılan inorganik yarıiletken tarafından sınırlandırılan bu koşulları aşabilmek için farklı tasarım ve malzeme kullanımı yoluna gidilmiştir. Organik yarıiletkenlerin kullanıldığı esnek yapıda cihazların tasarımı, nanoyapılardan oluşan hücreler ve organik–inorganik bileşenlerin beraber kullanılması ile her iki malzemenin avantajlarının bir araya getirilmesi fikirleri ağırlık kazanmıştır. Yarıiletken malzemelerin fotovoltaik etki gösterdiğinin keşfi ile başlayan süreçte en çok çalışılan fotovoltaik malzeme silisyum olmuştur. İlk modern güneş pili ise 1954 Si tek kristalinden p–n eklem oluşturarak yapılmış ve %6'lık verim elde edilmiştir. Bu süreçte silisyum yarıiletkeninin özelliklerinin geliştirilmesi, farklı yarıiletken bileşikler oluşturulması, fotovoltaik hücrenin eklem yapısının geliştirilmesi gibi farklı alanlarda ilerleyen çalışmalar güneş pillerinin sınıflandırılmasına sebep olmuştur. Bu sınıflandırma; • I. Nesil güneş pilleri; tek kristal c-Si güneş pilleri, • II. Nesil güneş pilleri; a-Si, kadmiyum tellür (CdTe), bakır indiyum galyum diselenid (CIGS) ve ince film kristal silisyum güneş pilleri • III. Nesil güneş pilleri; Organik güneş pilleri, boyar madde güneş pilleri • IV. Nesil güneş pilleri; Hibrit heteroeklemler güneş pilleri şeklinde yapılmıştır. İnorganik yarıiletkenlerin nanoyapılardan oluşan ince filmler şeklinde büyütülmesi ince filmin tüm özelliklerini değiştirmektedir. Bu amaca yönelik uygulamalardan bir tanesi yarıiletkenin şekilli ince film (ŞİF) olarak büyütülmesidir. ŞİF'ler, nanoyapılı olduklarından elektriksel ve optik özellikleri açısından farklılıklar göstermektedir. ŞİF'lerin kolonsal yapıları filmin gözenekliliğinin yüksek olmasına ve geniş yüzey alanına sahip olmasına sebep olmaktadır. Bu sayede ışık filmin daha iç kısımlarına kadar sızarak film içindeki absorbsiyonu ve saçılmayı arttırarak ışık ile oluşan yük taşıyıcılarının artmasını sağlar. Organik yarıiletkenler ise alternatif malzeme arayışlarında ortaya çıkan düşük maliyet, kolay uygulanabilirlik, hafiflik, esnek yapıları ve esnek yüzeylere uygulanabilirliği gibi özellikleri ile fotovoltaik hücrelere farklılıklar getirmiş olan malzemelerdir. Organik yarıiletkenler düşük maliyetle, istenilen özelliklerde geliştirilebilme ve kolay üretilebilmeleri açısından fotovoltaik hücrelere farklı bir bakış açısı kazandırmıştır. Organik yarıiletkenin altlık malzemesi ile uyumu, hazırlama tekniği, çevresel faktörlere dayanıklılık cihazın verimini doğrudan etkilemektedir. Bu parametrelerin kontrolü ve daha iyi anlaşılması ile özelliklerin istenilen yönde geliştirilebilmesine olanak sağlar. Organik ve inorganik yarıiletkenlerin avantajlı oldukları özellikleri birleştirecek bir fotovoltaik hücre tasarımı bu tez çalışmasının ana amaçlarından biridir. Şekilli ince filmler, birçok fiziksel buhar biriktirme tekniği ile birleştirilebilen eğik açı ile biriktirme yöntemi ile hazırlanabilmektedir. Eğik açı ile biriktirme (GLAD) yönteminde sınırlı buhar geliş açısından altlığa belirli bir eğim açısı ve hareket sağlanarak ince filmin istenilen morfolojide büyümesi sağlanır. Bu tez çalışmasında, ŞİF'ler, GLAD yönteminin en verimli ve başarılı şekilde uygulanabildiği yöntemlerden biri olan elektron demeti fiziksel buhar biriktirme sistemi ile düz, eğik, zigzag ve spiral olmak üzere 4 farklı morfolojide üretilmiştir. Organik yarıiletken olarak seçilen CuPc, ftalosiyanin ailesine mensup yüksek aromatikliğe sahip makro halka şeklinde olan bir metal ftalosiyanindir. Ftalosiyaninler, fiziksel ve kimyasal buhar biriktirme yöntemleri kullanılarak ince filmler şeklinde büyütülebilir. En çok kullanılan yöntemler arasında vakum altında ısıtma yöntemleri, sol-jel, spin ve daldırma ile büyütme sayılabilir. Bu çalışmadan CuPc ince filmler kimyasal püskürtme yöntemi olarak adlandırılan kimyasal çöktürme tekniği ile büyütülmüştür. Kimyasal sprey püskürtme (CSP) yöntemi çözelti şeklinde hazırlanan malzemenin sıcak yüzeye belirli frekansta püskürtülmesi ile altlık yüzeyinde biriktirilerek ince filmin oluşturulması ilkesine dayanan bir tekniktir. CSP düşük maliyetli, kolay uygulanabilir, çözeltisi hazırlanabilen tüm malzemeler için kullanılabilir, katmanlı filmlerin kolaylıkla üretilebildiği düşük sıcaklıklarda çalışılabilen bir ince film büyütme yöntemidir. Kolay uygulanabilme gibi özellikleri de destekleyen bir yöntemdir. CuPc ince filmi kimyasal sprey püskürtme yöntemi ile ilk defa yine grubumuz tarafından yüksek lisans araştırması olarak çalışılmıştır. Edinilen bilgiler ışığında hibrit heteroeklemin organik yarıiletken kısmı için CuPc seçilerek kimyasal sprey püskürtme tekniği ile a-Si ŞİF'lerin üzerine yine ilk defa büyütülerek, bu çalışma kapsamında morfolojik ve yapısal özellikleri incelenmiştir. İnorganik ve organik yarıiletken filmlerin başarılı şekilde büyütülmesi ile oluşturulan p-CuPc/ŞİF a-Si hibrit heteroeklemin elektriksel ve fotovoltaik özellikleri incelenmiştir. a-Si ŞİF'ler sırası düz, eğik, zigzag ve spiral morfolojide c-Si, ITO kaplı cam ve Corning cam altlıklar üzerine büyütülmüştür. a-Si şekilli ince filmleri düz ve kolonsal yapı olarak iki farklı grupta sınıflanmıştır. Düz film homojen, sürekli ve yüzeyi pürüzlü yapıda iken; eğik, zigzag ve spiral filmler kolonsal yapıdadır. Benzer özelliklerde olan düzenli şekilde yerleşmiş kolonlardan oluşan filmler homojen, yüksek oranda gözeneklilik ve kolon boyları arasındaki farktan dolayı pürüzlü yüzey yapısındadırlar. XRD desen analizlerinde tüm filmlerin amorf yapıda olduğu belirlenmiştir. Kolonsal yapıdaki filmlerde dağılım pikinin daha belirgin hale geldiği görülmüştür. Nanokristal yapının arttığını gösteren bu durum Raman analizleri ile de desteklenmiştir. Kolonsal yapıdaki ince filmlerde, eğikten spiral yapıya doğru nano kristalinitenin güçlendiği, spiral şeklinde büyütülen filmlerin ise mikrokristalin yapıda oluştuğu belirlenmiştir. Optik incelemelerde kolonsal yapının ışığın sızma derinliğinde etkili olduğu, yansıma oranının azalarak absorbsiyonun arttığı belirlenmiştir. Kolonsal yapının sızma derinliğini, saçılmayı ve absorpsiyonu beklendiği gibi olumlu yönde etkilediği belirlenmiştir. Bu açıdan en yüksek absorbsiyona sahip olan film spiral a-Si ŞİF'tir. Hesaplanan optik yasak bant içerisinde en yüksek bant aralığı 2,16 eV ile spiral a-Si ŞİF için belirlenmiştir. a-Si ŞİF'lerin temas açıları incelendiğinde filmlerin gözeneklilik oranının artması kapiler etkiyi güçlendirerek temas açısı değerinin küçüldüğü ve hidrofilik özelliklerin iyileştirdiği belirlenmiştir. a-Si ŞİF/c-Si heteroeklemlerin arayüzeylerinde oluşan kusur ve düzensizlikler idealite faktörlerinin yüksek olmasına sebep olmuştur. Ancak bariyer yüksekliğinin film morfolojisine bağlı olarak azaldığı gözlenmiş, kısa devre akımının arttığı belirlenmiştir. SCLC ve düşük alan emisyon akım mekanizmalarının etkin olduğu belirlenmiştir. Nanokolonsal yapı ile artan yük taşıyıcısı sayısı fotovoltaik özellikleri iyileştirmiştir. Yine en yüksek fotoduyarlılık özelliklerinin spiral a-Si/c-Si heteroekleminde olduğu belirlenmiştir. Organik yarıiletken CuPc ince filminin a-Si ŞİF'ler üzerinde katmanlı bir yapıda büyüdüğü belirlenmiştir. Organik ince filmlerin büyüme aşamasında öncelikle yüzey–molekül etkileşimlerinin daha güçlü olmasından dolayı sürekli bir yapının oluştuğu, ardından molekül–molekül etkileşimlerinin baskın hale gelmesi ile bölgesel olarak farklı yapıların oluşmaya başladığı gözlenmiştir. Bu yapılar arasında çeşitli boyutlarda dropletler, dendritik yapı, nanoküme, mercan benzeri yapılar, kısmen kolonsal yapılar mevcuttur. CuPc ince filmin hidrofilik özelikler ile paralel olarak kolonlar arasına penetrasyonu da artmıştır. XRD analizlerinde CuPc ince filmlerinin amorf yapıda olduğu belirlenmiştir. Raman spektrumları incelendiğinde ise CuPc ince filme ait olan 20 adet pik belirlenmiştir. Hibrit heteroeklemin elektriksel özellikleri incelendiğinde ışığın kristalin Si–amorf Si eklemine kadar sızamadığı belirlenmiştir. Elde edilen sonuçların p-CuPc/a-Si ŞİF heteroekleminden elde edildiği belirlenmiş ve değerlendirmeler bu bilgi ışığında yapılmıştır. Kolonsal yapı devreye girerek bariyer yüksekliğini azaltmış, dolayısı ile de idealite faktörünü, doygunluk (saturasyon) akımının ve kısa devre akımının artmasına sebep olmuştur. Eklem dirençlerinin kolonsal yapıdaki gözenekliliğin artması ile azaldığı belirlenmiştir. SCLC akım mekanizması ve düşük alan emisyon mekanizmaları baskın akım mekanizmaları olarak belirlenmiştir. Organik yarıiletkenlerin kullanıldığı heteroeklemlerde SCLC baskın mekanizma olarak bilinmesine rağmen arayüzey yapısı ve oluşumuna bağlı olarak rekombinasyon ve tünelleme etkilerinin de gözlemlenebileceği bilinmektedir. Fotovoltaik özellikler incelendiğinde en yüksek kısa devre akımı CuPc/Zigzag a-Si ŞİF ekleminde elde edilirken en büyük açık devre gerilimi ve fotoduyarlılık CuPc/Spiral a-Si ŞİF ekleminde elde edilmiştir. Bütün olarak değerlendirildiğinde CuPc/Spiral a-Si ŞİF ekleminin fotovoltaik hücre olarak kullanım açısından en verimli olan yapıdır. Bu tez çalışması kapsamında hibrit heteroeklem olarak kullanılması amacı ile CuPc organik yarıiletkeni a-Si ŞİF'ler üzerine ilk defa büyütülmüştür. Organik yarıiletken filmin kalınlığının kontrol edilememesinde dolayı tasarlandığı şekilde ikili bir heteroeklem yapısı oluşturulamamıştır. Bu sebeple sadece CuPc/a-Si ŞİF heteroeklemi değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar incelenen heteroeklemin hibrit fotovoltaik hücre olarak kullanılması açısından gelecek vaat ettiğini göstermektedir. Organik yarıiletkenin daha kontrollü şekilde ince bir yapıda büyütülebilmesi, elektrik ve fotovoltaik ölçümlerin daha duyarlı sistemler kullanılarak araştırılması ile çalışmanın devam ettirilebileceği düşünülmektedir.