Znse Kuantum Noktası Katkılı Sio2 Camların Yapısal Ve Optik Özellilkerine Erbium İyon Konsantrasyonunun Etkisi

Abstract

Modern dünyanın, özellikle geçtiğimiz yüzyıldan itibaren, işleyişi ve gelişimi nano-materyal eksenli tasarımların meydana getiirdiği opto-elektronik cihazlar üzerine oturduğundan dolayı bu malzemelerin gelişen teknoloji üzerindeki etkisi kaçınılmazdır. Günlük rutinin neredeyse her alanına nüfus eden bilgisayar, mobil elektronik cihazlar, bilgi taşıyıcıları, iş ve enerji üreteçleri, ayrıca modern insanın giyimden sağlığa bütün ihtiyaçlarını seri üretime bağlayabilen bütün cihaz ve makineler bir şekilde nano malzemelerle ilintilidir. Örneğin tipik bir araba üretiminde en az 16 çeşit lazer kullanılmaktadır. Bu malzemelerin insan oğlunun geleceği üzerindeki etkisi bu kadar büyüktür ve geçektir. Işık ve madde arasındaki ilişkiyi yöneten, yönlendiren yada manipule edebilen malzemelere fotonik malzemeler denir. Bu malzemeler, ışığın dalga-parçacık karakterinin aynı anda gözlenebildiği boyutlarda işlevsel olup yapı üzerinde yarattıkları mikro etkiler termal, elektrilsel, optiksel gibi makro ortamda gözlemlenebilen büyüklüklerde değişikliklere sebep olabilirler. Bu değişiklikler manipule edilerek çağın en ileri teknolojisine sahip cihazlar tasarlanabilir. Bu malzemeleri ilgi odağı yapan ana sebeplerden birisi de, malzemelerin sıradışı optik, elektriksel ve termal özellikleri sayesinde modern teknolojinin hızla ilerlemesine sebep olmasıdır. Nano-fotonik malzemeler telekomunukasyon, aydinlatma, enerjiç bilim ve tıp gibi sektçrlerde optiksel sensorler, güneş pilleri, ışık yayn diyotlar, manyetik-optik malzemeler, yarı iletken lazerler, görüntüleme sistemleri gibi ilginç uygulamalarda yaygın olarak kullanılırlar. Teknolojinin evrimine yön veren bu tür malzemelerin günlük teknolojide daha yaygın kullnılabilmesi için bu alana çok daha fazla teorik ve deneysel calışma kazandırılması kaçınılmazdır. Fotonik malzemeler ihtiyaca göre, genellikle cam gibi sağlam konak malzemeleri içerisine, nadir toprak elementleri, geçiş metalleri ya da diğer optiksel merkez özelliği taşıyan atomların belirli oranlarda homojen olarak katkılanması yolu ile üretilirler. Yapı içerisine homojen olarak yerleşen bu merkezler, istenilen optik emisyonların ana kaynağıdır. Sol-jel yöntemi, Supersaturated Glass Sol yöntemi, Kimyasal Buharlaştırma Yöntemi (CVD), RF-Sputtering yöntemi bu malzemeleri sentezlemek üzere geliştirilmiş en yaygın yöntemlerdir. Bunların arasında Sol-Jel yöntemi, düşük sıcaklıklarda amorf malzeme üretimi için en uygun yöntemlerden birisidir. Sol-jel yöntemi, oda sıcaklıklarında cam malzeme sentezlemek üzere geliştirilmiş ıslak kimyasal bir yöntemdir. Uygulama kolaylığı ve düşük maliyet sebebiyle bulk ve film malzeme elde etmek üzere kullanılan yöntemler arasında en populerlerinden birisidir. Sol-gel yöntemi çeşitli kimyasal reaksiyonların sebep olduğu hidroliz, yoğunlaşma, jelleşme, yaşlanma, kuruma ve katılaşma gibi faz evrimleri sonucu oda sıcaklığında katı-amorf malzeme elde etme ortamı sağlar. Sol-gel yöntemiyle optiksel merkezler sisteme homojen ve izotropik olarak katkılanabilirler. Sol-gel yönteminin sol aşamaları sırasında, katkılanmak istenen optik merkezlerin kolloidal süspansiyon çözeltisi, sol-gel çözeltisine eklenerek colloidal şeklinde çözelti içerisinde dağılmış katkı elementleri (geçiş elementleri, natir toprak elementleri, yarı iletken nano-kristaller) homojen ve izotropik olarak malzemenin sadece yüzeyinden ziyade tamamına üç boyutlı olarak dağılması sağlanabilir. Nadir toprak elementeri, sergiledikleri sıradışı atomik yapılarından dolayı, keskin emisyon cizgilerine ve yüksek osilatör şiddetine sahiptirler. Bu özelliklerinden dolayı fotonik endistrüsünde çok yaygın olarak kullanılan malzemelerin belki de başında gelir. Elektron diziliminin iç kabukları Xe soygazı şeklindedir. Bu elementlerin ilginç kılan durum ise optiksek spektrumlarının, tam dolu orbitallerle çevrelenmiş yarı dolu 4F otbitali içerisinde gerçekleşen yasaklı elektrik dipol (E1) geçişlerinden oluşmasından dolayıdır.Bunun sonucu olarak nadir toprak elementleri, doğaları sonucu geleneksel seçim kurallarını ihlal etığınden dolayı, geçiş olasılıkları ile ilgili bilgiler Judd-Ofelt teorisi yardımıyla tanımlanan seçim kuralları ile belirlenir. Nadir toprak elementlerinden özellikle erbiyumun, 4f geçiçlerinde yaydığı $ 1.54 \mu m $ dalgaboylu ışımanın telekomunukasyon sektöründe bilgi iletimi için kullanılan dalga boyuna karşılık gelmesi sebebiyle bu sektörde talebi oldukça yüksektir. Öte yandan nanokristaller de ilginç yapısal ve optiksel özellikler sergileyen nano boyutlu yarıiletken kristal yapılardır ve fotonik endüstrisinde cok yaygın bir şekilde kullanılırlar. Nanokristallerin boyutları ile yasak band aralığı enerjileri arasında direk bir bağlantı vardır. Bu bağlantının ana kaynağı kuantum boyut etkisi dir. Bu etkiden ötürü kristalin boyutları küçüldükçe enerji seviye uzaklıkları artar, kristal boyutları büyüdükçe de azalır. Kuantum boyut etkisi, bazı manipulasyonlar sayesinede nanokristalin boyutlarını değiştirmek suretiyle malzemenin optiksel band enerjilerini ve soğurma sınırlarını kontrol etmeye olanak tanır. Bu özelliklerinden dolayı optiksel merkez olarak çeşitli fotonik malzemelerde katkı malzemesi olarak çok yaygın olarak kullanılırlar. Bununla beraber nano-kristallerin kristal şekli ve yapısı da nanokristallerin optiksel özeliklerini etkleyen temel faktörlerdendir. Değişik fiziksel yapılardaki nano-kristal malzemeler, kuantum boyut etkisinin arzu edilen uzaysal eksenlerde sinirlandirilmasi sonucu, durumlar yoğunluğunun manipule edilmesi sonucunda değişik boyut ve şekillerde elde edilebilir. Durumlar yoğunluğunun 1 boyutla sınırlandırılması sonucu elde edilen bir boyutlu kuantum yapılara kuantum kablosu (quantum wire, nano), iki boyuta sınırlandırılması ile üretilebilen iki boyutlu yapılara kuantum duvari (quantum well) ve bir boyuta sınırlandırılması sonucu elde edilen boyutsuz kuantum yapılara quantum noktaları (quantum dot) denir. Değişik şekillerdeki bu nano-kristaller, çeşitli mazlemelerde ışığın polarizasyon etkisini manipule ederek tasatlanan sistemlerde çok yaygın olarak kullanılırlar. Geçiş metalleri ya da nadir toprak elementleri gibi optiksel aktif merkez özelliğine sahip diğer malzemeler ile sisteme katkılandığı zaman sistemin optiksel ve yapısal davranışları değişiklik gösterebilir. Nadir toprak iyonları ve geniş soğurma band araliğina sahip olan nano-kristaller ile birlikte katkılanarak elde edilen nano-fotonik malzemeler ile ilgili çalışmalar literaturde oldukça azdir. Erbiyum ve ZnSe katkılı silika camlar ile ilgili ise hiçbir çalışma bulunmamaktadır. Bu çalışmada, bu malzemelerin yükek kalitede beyaz ışık kaynağı, lazer amplifikasyon ve frekans yönlendiricisi (waveguide) gibi aygıtlarda uygulanabilirlik potansiyeli taşımaları sebebi ile, ebiyum, ZnSe ve Silika cam kombinasyonu seçilmiştir. Bu çalışmada erbiyum iyonları ve ZnSe nanokristalleri sol-jel yöntemi kullanılarak Silika cam içerisine homojen ve izotropik olarak katkılanarak sentezlenmiştir. Örnekler en az 1 hafta kurumaya bırakıldıktan sonra soğurma ölçümleri alınmış ve soğurma katsayısı gırafikleri elde edilmiştir. Daha sonra XRD ve DTA-TG analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu bilgiler kullanılarak örnekler $ 300 ^{o}C $ sicaklikta 3 saat, ardindan $ 700 ^{o}C $ sicaklikta 3 saat tavlanmiştır. Tavlanan numunelerin soğurma ölçümleri tekrar alınıp örneklerin yasak enerji aralıkları ve urbach enerjileri hesaplanmıştır.

Nano-photonic materials have very important role in developing science and technology because of their broad applications in technological environment of modern society. These materials are essential for any kind of technological device which based on photon and photon interactions with matter such as computers, mobile devices, lasers, display technologies, solar cells etc. Nano-photonic materials are designed by introducing the optical active centers, such as transition metals, rare-earth ions or semiconductor quantum dots, in to a stable host material such as glass isotropically. These optical centers are responsible for the luminescence properties of whole system in terms of their unique molecular structure that allows them to have relatively sharp transitions, such as rare earth ions, transition metals, or let some substantial manipulations in their micro-optical structure as in nanocrystals. Amorphous semiconductor materials have gained much attention in recent years due to their wide applications in science and technology. There are several methods developed for fabricating these materials in a compact, safe and cheap way for the sake of mass production, low cost and high efficiency. Modified Sol-Gel method, Supersaturated Glass Sol, Chemical Vapor Deposition (CVD), RF Sputtering etc. are some popular methods. Among all, Sol-gel method is very convincing for fabricating amorphous materials in low temperatures. In this work, ZnSe quantum dot and erbium ion co-coped silica glasses were synthesized using sol-gel method. The optical band gap dependence on the erbium ion concentration rate was investigated. The samples were synthesized by using TEOS (tetraethylorthosilicate) and erbium nitrate (pentahydrate) and zinc acetate as precursor materials. The chemicals were purchased from Sigma Aldrich commercial cooporation. Six different samples having different erbium molar ratios were prepared. All samples contain the same molar ratio of ZnSe. The samples aged for desiccation at least for one week at room temperature. UV-VIS absorption spectra were measured. XRD method used for structural analysis. DTA-TG method used for determining the annealing temperature. Samples were annealed for 3 hours and 7 hours continuously at $ 300 ^{o}C $ and at $ 700 ^{o}C $ under atmosphere. UV-VIS absorption spectra of annealed samples were measured. Direct optical band gap, indirect optical band gap and urbach energies were estimated via semi-empirical methods. Judd-Ofelt parameters were determined via least square method. The relation between Judd-ofelt parameters and annealing temperature was investigated. The relation between optical properties and the erbium concentration is investigated as well. Band gap energies were observed to be related to the erbium concentration and annealing process.