Nd3+ Ve Cr3+ Katkılı Metal Oksit Nano-tozlarında Lüminesans Süreçlerinin Araştırılması Ve Beyaz Işık Üretimi

Abstract

Her geçen gün gelişen teknolojiyle birlikte teknolojinin her alanında kullanılmak üzere yeni, uygun ve optimum özelliklere sahip malzeme ihtiyacı da artmaktadır. Özellikle fotonik teknolojisindeki hızlı gelişime parallel olarak yeni, optimum özelliklere sahip konak malzeme ihtiyacı da artmaktadır. Bu bağlamda ihtiyacı karşılayabilmek adına ilgi, boyutları küçüldükçe külçe kristal formlarına göre daha farklı ve gelişmiş optik, termal, manyetik vb gibi özellikler gösteren nano – boyutlu malzemeler üzerine odaklanmıştır. Bilhassa ıslak kimyasal metotların kullanımı ile nano – boyutlu malzeme sentezindeki önemli gelişmeler ve bu yöntemlerin ucuz olması, düşük sıcaklıklarda malzeme sentezine imkan tanımaları ve malzemelerin tek külçe kristallerinin büyütülmesinin zor, imkansız veya maliyetleri artıran çok yüksek sıcaklıkları gerektirdiği durumlarda kolayca malzeme sentezine imkan tanımalarından dolayı nano – boyutlu malzemeler üzerindeki ilgiyi oldukça artırmıştır. Dolayısıyla bu tez çalışmasının başlıca amacı kristal tane boyutunun, nadir toprak iyonları için en iyi konak malzemelerinden biri olan Nd3+ iyonları ile katkılandırılmış Y2O3 nano-tozlarınin lüminesans özellikleri üzerindeki etkisinin daha iyi anlaşılmasını sağlamaktır. Dolayısıyla bu çalışma, Y2O3:Nd3+ nano-tozlarının sentezi, yapısal ve optik karakterizasyonunu içermektedir. %0.2 ile %10 aralığında değişen farklı konsantrasyonlarda Nd3+ katkılandırılmış Y2O3 nano-kristalleri, itriyum-neodim aljinat jellerinin termal bozunması temeline dayanan termal bozunma tekniği kullanılarak sentezlendi. Sentezleme sıcaklığının malzemelerin üretimi ve kristal tane boyutları üzerindeki etkisini araştırmal amacıyla malzemeler 350oC ile 500oC arasında değişen sıcaklıklarda sentezlendi. Tavlama sıcaklığının kristal tane boyutu üzerindeki etkisini araştırmak ve kristal tane boyutlarını kontrol etmek amacıyla tozlara 600 ila 1400 oC arasında değişen sıcaklıklarda termal işlem uygulandı. Sonrasında sentezlenen nano-tozların kristal tane boyutları, morfolojileri ve oluşan kristal fazlarını belirlemek için X-ışını difraktometresi ve elektron mikroskopları kullanılarak yapısal olarak karakterize edildi. Sentezi yapılan malzemelerin 10.6051 Å örgü sabiti ile kübik itriyum oksit fazında oldukları ve bunun dışında başka herhangi bir faz içermedikleri yapılan yapısal karakterizasyon sonucu belirlendi. Sentezlenen malzemelerin kristal boyutlarının sentezleme ve tavlama sıcaklığındaki artışla doğru orantılı olarak arttığı ve malzemelerin kristal boyutlarının 14 – 250 nm arasında değiştiği Scherrer Eşitliği kullanılarak X-ışını desenleri kullanılarak belirlendi. Yapılan elektron misroskop ölçümleri de Scherrer Eşitliği kullanılarak elde edilen kristal boyutlarını dogrulamıştır. Çalışılan malzemelerin luminesans özelliklerini belirlemek ve nano-boyutun malzemelerin luminesans özellikleri üzerindeki etkisini görmek için malzemelerde sürekli emisyon spektrumları ve atımlı uyarıma tepki ölçümleri gerçekleştirildi. Optik karakterizasyon sonuçları, malzemelerin nano-boyutlu olmalarına rağmen halen daha yeterince güçlü emisyona sahip olduklarını ve malzemelerin luminesans özelliklerinin kristal tane boyutlarına sıkıca bağlı olduğunu gösterdi. Malzemelerin kristal boyutları küçüldükçe emisyon piklerinin şiddetlerinin düştüğü ve yine pik genişliklerinin (FWHM) arttığı belirlendi. Ortam sıcaklığına bağlı olarak gerçekleştirilen emisyon ölçümleri de malzemelerin emisyon piklerinin artan ortam sıcaklıgıyla kaydıklarını ve pik genişliklerinin arttığını göstermiştir Ayrıca Nd3+ konsantrasyonunun malzemelerin emisyon özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmış ve iyon konsantrasyonunun emisyon özellikleri üzerinde belirleyici rol oynadığı belirlenmiştir. Artan katkı konsantrasyonu ile düşük konsantrasyonlarda ihmal edilebilir düzeyde olan katkı iyonu etkileşimlerinin baskın hale geldikleri ve bundan kaynaklanan çapraz durulma yolu ile konsantrasyon sönümlemesi etkisinin ortaya çıktığı gösterilmiştir. Ancak nano – boyut ile konsantrasyon sönümlemesinin külçe kristallere oranlar daha yüksek konsantrasyonlarda gerçekleştiği belirlenmiştir. Atımlı uyarıma tepki ölçümleri sonucunda elde edilen malzemelerin bozunma eğrilerinin eksponansiyel olmadıkları görülmüş ve sadece %1 Nd katkılı Y2O3 tek kristali için eksponansiyel bozunma eğrisi elde edilmiştir. En uzun yaşam süresi tek kristal için elde edilmiş olup malzemelerin yaşam sürelerinin azalan kristal boyutu ile azaldıkları belirlenmiştir. Malzemelerin yaşam sürelerinin en küçük boyutlu malzemeden en büyüğüne doğru 50 – 200 µs arasında değiştiği bulunmuştur. %1 Nd3+ katkılı Y2O3 tek kristali için ise en uzun yaşam süresi ölçülmüş olup değerinin 250 µs civarında değiştiği belirlenmiştir. Yine benzer şekilde azalan kristal tane boyutu ile malzemelerin bozunma eğrilerinin eksponansiyellikten daha fazla saptıkları belirlenmiştir. Artan iyon konsantrasyonu ile de benzer bir eksponansiyellikten daha fazla sapma gözlenmiştir. Bu tez çalışmasının orjinal kapsamı içerisinde olmayan ancak bizi farklı mecralara ve patent başvurusuna sürükleyen bir diğer ve en önemli bulgularından biri, 803.5 nm ile 975 nm dalgaboyunda çalıişan lazer diyot emisyonlarının indüklediği çalışılan nano-tozlardan yayılan parlak ve geniş bantlı beyaz ışık üretimidir. Elde edilen bu beyaz ışık emisyonunun karakteristikleri sürekli emisyon spektrumları, atımlı uyarıma tepki, CIE koordinatları, renk sıcaklığı, lüminesans vb gibi ölçümler yapılarak belirlendi. Yapılan ölçümler elde edilen geleneksel olmayan beyaz ışık emisyonunun 400 – 1100 nm dalgaboyu aralığında geniş bir bant olduğunu gösterdi. İlk olarak Nd katkılı itriyum oksit nano – tozlarında gözlenen beyaz ışık emisyonu sonradan %99.9999 oranında saf katkısız Y2O3 nano – tozlarında da gözlemlendi. Ultra saf nano – tozlarda da bu emisyonun gözlenmesi bu olgunun nadir toprak katkısı tarafından asist edilse de katkıdan bağımsız olduğunu ve konak malzemenin ve nano – boyutun bir özelliği olduğu belirlendi. Beyaz ışık emisyonunun kristal tane boyutu, nadir toprak iyon konsantrasyonu, sıcaklık, basınç, uyarıcı ışık kaynağının dalgaboyu ve gücü gibi etkilere bağımlılıkları detaylı bir biçimde araştırıldı. Elde edilen beyaz ışık emisyonunun şiddetinin basınç, uyarıcı ışık kaynağının gücü gibi parametrelere güçlü bir biçimde bağlı olduğu ve beyaz ışık emisyonunun gözlemlenebilmesi için uyarıcı eşik gücüne gereksinim olduğu belirlendi. Nadir toprak iyon konsantrasyonu varlığının beyaz ışık üretim sürecini kolaylaştırdığı ve artan iyon konsantrasyonu ile doğru orantılı olduğu gözlemlenmiştir. Özellikle katkısız ultra saf Y2O3 nano – tozlarından elde edilen beyaz ışık emisyonunun özellikleri ticari akkor lambalarla mukayese edildi ve 60W ticari akkor lambadan % 35 daha verimli olduğu gösterildi. Nano – boyutlu Y2O3 nano – tozlarından elde edilen beyaz ışığın karakterizasyonunu müteakip farklı kristallerden de bu ışımanın elde edilip edilemeyeceği araştırıldı. Bu bağlamda sırasıyla kimyasal çökeltme ve Pechini metotları kullanılarak elde edilmiş, 55 ve 78 nm boyutlarındaki katkısız ve Cr3+ katkılı YAG (itriyum alüminyum garnet) ve GGG (galyum gadolinyum garnet) nano – tozlarından beyaz ışık üretimi araştırıldı. Yapılan denemelerde bu malzemelerden de beyaz ışık çıkışı gözlemlendi. Benzer şekilde bu malzemelerden elde edilen beyaz ışığın kristal tane boyutu, iyon konsantrasyonu, sıcaklık, basınç, uyarıcı ışık kaynağının dalgaboyu ve gücü gibi etkilere bağlılığı detaylı bir biçimde araştırıldı. Katkılı malzemelerde beyaz ışık üretim sürecinin daha kolay olduğu ancak katkı iyonları olmadan da beyaz ışık üretilebileceği gösterildi. YAG ve GGG nano – kristallerinden de beyaz ışık çıkışının gözlenebilmesi bu beyaz ışık olgusunun tamamen malzemelerin boyutuyla alakalı olduğunu doğrulamıştır.

The main focus of this thesis is to provide a better understanding of the effect of the crystalline size on the luminescence properties of the Nd3+ doped Y2O3 nano-powder which is one of the best host materials for rare earth ions. Hence, the present research includes the synthesis, structural and optical characterization of Y2O3:Nd3+ nano-powders. The nano-crystals of Y2O3 doped with different Nd3+ concentrations were synthesized using the thermal decomposition method which is based on the thermal decomposition of the yttrium-neodymium alginate gels. The powders were thermally treated to control the particles' sizes at temperatures ranging from 600 to 1400 oC. The synthesized powders were then structurally characterized to determine the size of the nano-particles, the morphology and the crystalline phases occurred using X-ray diffractometer and electron microscopes. The continuous emission spectra and the response to pulsed excitation measurements were conducted on the samples to determine the luminescence properties of the materials studied and to see the effect of the nano-size on the luminescence properties of the materials. The results of the optical characterization showed that the samples have enough strong emission even if they are in nano-size form and the luminescence properties of the materials are strongly related to the size of the particles. It was also shown that the Nd3+ concentration has a decisive role on the emission properties of the materials and concentration quenching effect takes place due to increasing dopant ion interactions at higher dopant concentrations. Another most important finding of this thesis which was not in its original purpose and which led us to make a patent application was the production of a bright, wideband white light emission from the studied nano-powders induced by a laser diode output. We determined most of the properties of this WL emission in detail and showed that the obtained white light emission was comparable with that of a commercial incandescent lamps and was 35 % more efficient than that of an incandescent lamp.