FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/183
Nano Bilim ve Nano Mühendislik Ana Bilim Dalı altında bir lisansüstü programı olup, yüksek lisans ve doktora düzeyinde eğitim vermektedir.

Gözat

Yazar "10041561" ile FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik'a göz atma
  • Öge
    Cdse/zns Kuantum Noktalarının Sentezi Ve Karakterizasyonu
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014-06-30) Aydın, Hakan ; Ünlü, Hilmi ; 10041561 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nanoscience and Nanoengineering
    Kimyasal yöntemler ile üretilen nanokristaller, bize parçacıkların boyut dağılımlarını kontrol edebilme ve ayarlayabilme ihtimâlini sunmaktadır. Üst düzey niteliklere sahip nanoparçacıklara duyulan ihtiyaç ve ilgi, gün geçtikçe artmaktadır. Bu bağlamda düşük maliyetli, çevreci ve büyük miktarda nanokristal üretimi büyük bir önem arz etmektedir. Kimyasal üretim sürecinde sıcaklık, öncü malzemelerin molar oranları ve zaman gibi niceliklerin belirli ölçülerde değiştirilmesi, üretilen nanokristallerin farklı elektronik ve optik özelliklere sahip olmasını sağlamaktadır. Böylece, ihtiyaç duyulan özelliklere sahip nanokristalleri elde etmek adına üretim sürecinde öngörülen değişikliklere gidilebilmektedir. Kuantum noktaları olarak da adlandırılan kolloidal yarı iletken nanokristaller, 2-10 nm arasında değişen parçacık çaplarına sahiptir ve floresans görüntüleme, ışık yayan diyotlar, düz panel görüntüleme sistemleri, güneş pilleri, lazerler ve biyolojik tedaviler gibi birçok farklı alanda uygulamalara konu olmaktadır. Yüksek yüzey-hacim oranı sayesinde nanokristaller, boyutlarına bağlı olarak değişebilen optik, elektriksel ve kimyasal özelliklerini beraberinde getirmektedir. Genellikle II-VI ve III-V periyodik grup elementlerinin birleşimi ile ortaya çıkan kuantum noktaları, moleküler ve yığınsal malzeme arasında kendilerine has bir sınıf oluşturmuştur ve çekirdek ya da çekirdek-kabuk yapılar şeklinde üretilebilmektedir. Gelişen teknoloji ile birlikte yük taşıyıcılarının serbestlik dereceleri, elektron sınırlama özelliği oluşturabilmek adında kullanılmaktadır. Kuantum noktaları, elektronları uzaysal üç boyutta sınırlama özelliğine sahip olduklarından dolayı “boyutsuz” yapılar olarak adlandırılabilmektedir. Bu sınırlama şartlarından dolayı kuantum noktaları, atomlara benzer davranışlar sergilemektedir. Bohr-exciton yarıçapına yakın boyutlarından dolayı kuantum noktalarında “boyutu niceleme etkisi” gözlenmektedir. Böylece iletim ve değerlik bantları, alt bantlara (kesikli değerlere) bölünür. Bütün bu özellikler doğrultusunda nanokristal boyutu (çapı) küçüldükçe etkin bant aralığı artar ve gözlemlenen renkte maviye doğru kayma gözlemlenir. Kuantum noktalarında parçacık hareketini tanımlamak için tek bant etkin kütle yaklaşımı kullanılır ve hareket denklemi zamandan bağımsız Schrödünger denkleminin silindirik apsis düzeninin birinci ya da ikinci mertebeden çözümü ile elde edilir. Nanokristal çekirdek yapının geniş bir bant aralığına sahip yarı iletken malzeme ile ince bir tabaka şeklinde kaplanıp kimyasal olarak etkisizleştirilmesi, çekirdeğin kimyasal tepkimelerden uzak tutulmasına ve optik özelliklerinin iyileşmesine yol açar. Kullanılan malzemelerin bir araya getirilme şekline göre iki farklı çekirdek-kabuk yapısı mevcuttur. Elektron ve boşlukların uzaysal olarak çekirdek ve kabuk bölgelerinde ayrı şekilde hapsedilmesi durumunda “ikinci tip sınırlama”, geri kalan diğer olasılıklar için de “birinci tip sınırlama” söz konusu olur. Nanokristaller, etkin bant aralığı enerjisine yakın bir düzeydeki enerji ile uyarıldıklarında elektron-boşluk çifti (eksiton) oluşur. Eksitonun toplam enerjisi, kuantum düzenekleri tarafından yayımlanan dalga boyunu, başka bir deyişle rengi belirler. CdSe nanokristaller, II-VI periyodik ailesinin bir üyesi olup doğrudan bant geçişine sahip yarı iletken bir malzemedir. Parçacık boyutuna bağlı olarak değişen optik tayfın görünür bölgesindeki parlak ışıma yeteneği, CdSe nanokristalleri üzerinde en çok araştırma yapılan malzemelerden biri hâline getirmiştir. Kullanılan yöntem çerçevesinde CdSe nanokristalleri 20-300°C arasında değişen sıcaklıklarda üretmek mümkündür. 100°C ve altındaki sıcaklıklarda üretilen CdSe nanokristaller genellikle suda çözünebilir ve üretim işlemi uzun süreler alır. Üretim sıcakığı yükseldikçe ulaşılmak istenen parçacık boyutu dağılımını yakalama süresi, daha hızlı büyüme olacağından kısalır. Buna rağmen, dar bir boyut dağılımı elde etmek için nispeten düşük başlangıç sıcaklıkları kullanmakta fayda vardır. Bu tezin kapsamında CdSe çekirdek ve CdSe/ZnS çekirdek-kabuk nanoyapıların göreceli olarak düşük sıcaklıklarda üretilmesi ve üretim sırasında çeşitli niceliklerin değiştirilmesi sonucu elde edilen kuantum noktalarının öz niteliklerinde ortaya çıkan farklılıkları gözlemlemek ve karakterize etmek amaçlanmıştır. Literatürden uygun olduğu kanısına varılarak seçilmiş inorganik tabanlı bir yöntem, laboratuar imkânları doğrultusunda ufak değişikliklere tabii tutularak uygun duruma getirilmiştir. CdSe çekirdek nanokristalleri üretimi için öncelikle kadmiyum stearat (C36H70CdO4), kadmiyum oksit (CdO) (0.01 mol, 1.284 g) ve stearik asitin (C18H36O2) (0.02 mol, 5,68 g) 170°C’de 15 dakika sure ile karıştırılması ile hazırlanır. Elde edilen ürün daha sonra çoklu üretimler için öncü malzeme olarak kullanılabilir. Kadmiyum stearat (0.1358 g, 0.2 mmol) ve 16 mL likit paraffin üç boyunlu cam balon içerisine konur ve manyetik karıştırıcı vasıtasıyla 15 dakika sure boyunca vakuma alınarak oksit içerikli malzemenin içindeki havanın uzaklaştırılması sağlanır. Toz hâlindeki selenyum, nispeten düşün sıcaklıklarda kendi başına çözünemediğinden ilâve olarak trioktilfosfin (TOP) kullanılır. Selenyumun tamamen çözülmesi için bir cam balon içine 2 mL TOP ve selenyum (0.0078 g, 0.1 mmol) ilâve edildikten sonar oda sıcaklığında ultrasonic temizleyici içerisinde yaklaşık 12-13 saniyede çözülmesi sağlanır. Kadmiyum stearat ve paraffin karışımından oksijenin uzaklaştırılmasının ardından deney balonunun içine azot gazı akışı başlatılır ve arzu edilen sıcaklığa ulaşması için ısıtılır (160-180°C). Hedeflenen sıcaklığa ulaşıldığında TOP-Se çözeltisi karışıma hızlıca eklenir ve nanokristallerin çekirdeklenme evresi başlatılmış olur. TOP-Se çözeltisinin eklenmesinin hemen ardından birkaç saniye içinde gözle görülür bir renk değişimi fark edilebilir. Farklı boyutlarda CdSe nanokristallerin büyümesini gözlemlemek için deney süresince belirli aralıklarda şırınga yardımıyla 1 mL’lik örnekler toplanır. Son örnek de alındıktan sonra geri kalan malzeme, üzerine ZnS kaplanmak üzere kenara ayrılır. Alınan örnekler, oda sıcaklığına soğuduktan sonra aseton ile santrifüj işlemi en az 3-4 kez tekrarlanarak gerçekleştirilir. Santrifüj işlemi tamamlandıktan sonra geri kalan çözücüleri uzaklaştırmak için CdSe nanokristaller vakumlu fırın içine konularak 60°C sıcaklıkta yaklaşık 10-15 dakika boyunca tutulur. Fırından alınan örneklere hekzan eklenerek optik karakterizasyona hazır duruma getirilir. CdSe/ZnS çekirdek-kabuk yapısındaki nanokristallerin üretimi için CdSe çekirdek çözeltisinden geriye kalan yaklaşık 8 mL’lik malzeme üzerine çinko asetat dehidrat (Zn(OAc)2.2H2O) (0.085 mmol, 0.01866 g) ve toz hâlinde kükürt (S) (0.085 mmol, 0.00272 g) eklenir ve karıştırılır. Çözeltinin toplam hacmini 15 mL yapacak miktarda likit paraffin eklenir ve 80°C sıcaklıkta 20 dakika boyunca vakuma alınıp karıştırılarak içindeki havanın tahliyesi sağlanır. Daha sonra sıcaklık 145°C olarak ayarlanır ve üretimin yapıldığı cam balon içerisine azot gazı akışı başlatılır. Farklı boyutlarda kabukların kaplanması için besleyerek büyütme yöntemi kullanılır ve CdSe çekirdek nanokristallerin üretiminde olduğu gibi belirli aralıklar ile örnekler alınır. Belirlenen sürenin sonuna gelindiğinde üretimin başında kullanılan ile aynı miktarda öncü malzemeler eklenerek istenilen kabuk kalınlığına ulaşılana kadar süreç tekrarlanır. CdSe çekirdek nanokristallerin üretiminden sonra olduğu gibi, yine aseton aracılığı ile santrifüj işlemi en az 3-4 defa olmak üzere gerçekleştirilir ve kalan çözücüleri uzaklaştırmak için örnekler 60°C sıcaklıkta vakumlu fırında 10-15 dakika süre ile bekletilir; en son hekzan ilâvesi ile optik karakterizasyona hazır duruma getirilir. Üretilen CdSe çekirdek ve CdSe/ZnS çekirdek-kabuk nanokristallerin sahip olduğu optik ve elektronik özelliklerin literatürdeki verilerle uyumlu olduğu görülmüştür. Parçacık boyutlarına bağlı olarak üretilen CdSe çekirdek nanokristallerin soğurma tayfında artan parçacık çapı ile beraber kırmızıya kayma gözlemlenmiştir. Bu durumla bağdaşır şekilde, üretilen yarı iletken nanokristallerin optik soğurma bant aralıklarında artan parçacık boyutu ile beraber daralma kaydedilmiş ve boyutu niceleme etkisi kanıtlanmıştır. CdSe ve CdSe/ZnS nanokristallerin optik ışıldama tayflarındaki yarı yükseklikteki tam genişlik değerleri yaklaşık 25-31 nm arasında belirlenmiş ve ışıldama yeteneklerinin niteliklerinin üst düzeyde olduğu görülmüştür. Ayrıca hazırlanan örneklerin çoğunda Ostwald olgunlaşma davranışına ait belirgin izler saptanmamıştır. Sabit sıcaklıkta Cd:Se öncü malzeme oranı değiştirilerek yapılan üretimlerde Cd:Se oranının yüksek olduğu örneklerin daha hızlı büyüdüğü görülmüştür. Bununla beraber, Cd:Se oranı düştükçe sıcaklığın parçacıkların büyümesi üzerindeki etksinin arttığı görülmüştür. Bu durumun sebebi, üretim sürecinde kullanılan sıcaklıkların (160-170°C) kadmiyum açısından zengin örneklerin büyümesi için düşük kalması olarak açıklanmıştır. Sabit sıcaklıkta Cd:Se oranı değiştirilerek üretilen örneklerden gözlemlenen diğer bir özellik de selenyum miktarının artmasıyla beraber ışıldama tayfından ölçülen yarı yükseklikteki tam genişlik değerlerinin artmasıdır. Aynı durum, CdSe çekirdek nanokristaller üzerine kaplanan ZnS kabuk kalınlığının artmasıyla da gözlemlenmiştir. ZnS kabukların kaplandığına dair kanıt, soğurma tayfında gözlemlenen kırmızıya kayma eğilimi olarak gösterilmiş ve literatür ile tutarlı olduğu görülmüştür. Üretilen nanokristallerin kuantum verimi hesaplanmış ve ZnS kabuk kaplamanın CdSe çekirdek nanokristallerin kuantum verimini arttırabildiği kanıtlanmıştır. Yüksek çözünürlüklü TEM görüntülerinden elde edilen parçacık çapları ile etkin kütle yaklaşımı kullanarak teorik olarak hesaplanan boyutların birbiri ile tutarlı olduğu görülmüştür.