Stronsiyum magnezyum silikat esaslı fosforesans malzemelerde nadir toprak elementlerinin fosforesan özellikleri etkileri
Effects of rare earth elements on phosphorescent properties in magnesium silicate based phosphorescence materials
Yazar: BİRGÜL AYVALI
Danışman: YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Uyarıldıktan sonra ışık yaymaya devam eden fosforlar, kadranlarda, ışıldayan boyalarda, trafik işaretlerinde, acil durum sinyallerinde, tekstil ve aksesuar malzemelerinde, LED (Light Emitting Diode) ve plazma görüntü panellerinde oldukça geniş kullanım alanlarına sahiptir. Geleneksel bir fosfor olan ZnS' nin ışıldama şiddeti ve süresi bu uygulamalar için yetersizdir. Nadir toprak elementleri kullanılarak alüminatlar üzerinde yapılan çalışmalar Sr2AlO4:Eu2+, Dy3+ üzerinde yoğunlaşmış ve lüminesans özelliklerinin iyileştirildiği görülmüştür. Fakat, neme maruz kaldıklarında bozulmaları kullanımlarını kısıtlamıştır. Lüminesans özelliklerinin alüminatlar ile karşılaştırılabilir ölçüde olması ve neme maruz kaldığında bozulmamaları gibi sebepler Sr2MgSi2O7:Eu2+, Dy3+ fosforunu ön plana çıkarmıştır. Sr2MgSi2O7:Eu2+, Dy3+ fazının fosforesans karakteri, ışınım merkezleri ve tuzaklama mekanizmalarıyla ilişkilidir. Eu2+ iyonları emisyon merkezi olarak görev yaparken, Dy3+ iyonları boşluk tuzaklama merkezi olarak sistemde çalışmaktadır. Sr2MgSi2O7 tetragonal yapısındaki Sr2+ iyonu boşluklarına Eu2+ ve Dy3+ iyonları yerleşmektedir. 
Bu çalışmanın amacı, birinci aşamada katı hal reaksiyonu metodu ile üretilmiş olan Sr2MgSi2O7:Eu2+, Re3+ fosforu üzerinde  La-Lu aralığında yer alan nadir toprak elementlerinin, fosforesans karakterini, kristal yapı, ışıma şiddeti ve ışıma ömrü açısından nasıl etkilediğinin incelenmesidir. İkinci aşamada ise ışıma performansı diğerlerinden daha iyi olan örnekler üzerinde borik asit etkisini, kristal yapı ve optik özellikler üzerinden gözlemlemektir. 
Deneysel çalışmanın birinci aşamasında Sr1,92MgSi2O7:Eu0,022+, Re0,063+ (%8 H3BO3) formülü gereğince sistematik olarak La, Ce, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb ve Lu lantanitlerini içeren numuneler hazırlanmıştır. Yüksek saflıkta karbonat ve oksitler, etanol ortamında değirmen tipi öğütücüde 300 rpm'de 2 saat öğütülmüş ve daha sonra 115 °C' de 12 saat bekletilerek etanolün ortamdan uzaklaştırılması sağlanmıştır. Preslenen numuneler 10 °C/dk ısıtma hızıyla 1300 °C sıcaklığa çıkılarak redüktif atmosferde (%5 H2,  %95 N2) ısıl işleme sokulmuş ve azot atmosferinde soğumaya bırakılmıştır. İkinci aşamasında ise sadece evropyum ve evropyuma ek olarak disprosiyum kullanılan numuneler için %0 ve %16 borik asit ihtiva eden kompozisyonlar hazırlanılmış ve aynı katı hal reaksiyonu  ile üretim yapılmıştır. Elde edilen bütün numunelere XRD (X-Ray Diffraction) ve spektrofotometre teknikleri kullanılarak; faz ve optik analiz işlemleri yapılmıştır.
 Yapılan bu çalışmadan elde edilen XRD sonuçları değerlendirildiğinde, %2 ve %6 oranında sisteme dahil edilen katkıların ("Dopant" ların) kristal yapıyı bozmadığı, tek fazlı tetragonal Sr2MgSi2O7 elde edilerek hedeflenen yapıya ulaşıldığını göstermektedir. Spektrofotometre ile gözlemlenen uyarılma ve ışıma davranışlarına göre, genel olarak 470 nm civarında görülen ışıma ("Afterglow") piki 4f65d1→4f7 geçişine atfedilmektedir. Bütün örnekler eşit şartlarda uyarıldığı ve gözlemlendiğinde, her birinin farklı ışıma şiddetleri ile cevap vermesi nadir toprak elementlerinin yarattığı tuzakların derinliklerinin farklı olması ile ilişkilidir. Tuzak yoğunluğu ise fosforesans malzemelerin ışıma süresinin kısa olması yada uzaması üzerinde doğrudan etkilidir. Tuzak yoğunluğunun artması bozunma zamanının ("Decay time"ın) uzamasına sebep olmaktadır. %0, %8, %16 borik asit içeriğine sahip örneklerde benzer karakterizasyon deneyleri yapıldığında ise, %8' den daha az flaks kullanıldığında fosfor karakterinin zayıf olduğu, artması ile ışıma şiddetinin arttığı, %16 oranında kullanılması durumunda ise tane boyutunun büyümesini hızlandırmak dışında yapı içerisinde bulunan bileşiklerle reaksiyona girdiği ve bu sebeple beklenenin dışında ikincil fazların meydana geldiği görülmüştür.

Abstract:
Nowadays, the persistent luminescence materials and mechanism are the most significiant issues in the storage phosphor field, for they can store the energy like sunlight, UV light or fluorescent lamp and let off  the stored energy for a length of time. G. Blasse describe a phosphor as " A solid which converts certain types of energy into electromagnetic radition over and above thermal radition." Phosphor is a solid material which can emit light when exposed to radition for instance ultraviolet light or an electron beam. They are broadly used in dark enviroment.
Phosphor, which can continue to emit light upon induction, is widely used in clock faces, luminescent dyes, traffic signs, textile and accessory materials as well as LED and plasma display panels. Zinc sulfide doped with copper is the  first, used in long persistent phosphor on the market. It has a green emission of around 530 nm. However, luminous intensity and scintillation duration of ZnS, which is traditional phosphor, is not sufficient for such applications. Eu2+ and Dy3+ co-doped aluminates and silicates are thought up at the end of 19th - century. Their luminescent brightness, long lasting phosphorescence properties and stability were clearly better than sulfide series products. 
Studies on aluminates that have been performed by using rare earth elements mainly focus on Sr2AlO4:Eu2+, Dy3+  and it is observed that their luminescent characteristics are enhanced. It is the best afterglow phosphor and can emit light for more than 20 hours however, exposition to water may damage the luminescence features and this causes to restrict their usage in the paint as a pigment. The facts that silicates are not damaged when they are subjected to humidity and their luminescent characteristics are comparable to aluminates make Sr2MgSi2O7:Eu2+, Dy3+ featured. 
The best known persistent luminescent silicate is Sr2MgSi2O7:Eu2+, Dy3+. The family of materials M2MgSi2O7 (M: Ca, Sr, Ba) are called alkaline earth akermanites. Additionally, they are the most widely known persistent luminescent silicates. Solid-state raction at 1200-1400 °C, sol-gel, co-precipitation and combustion methods are generally use for preparing  M2MgSi2O7. The Eu2+ and Dy3+ activated  silicate host is broadly used owing to chemical and physical stability, easy preparation, low cost, its high luminance and long afterglow. We can observe various color from blue to red because the emission of 4f7→4f65d1  from Eu2+ is quite effective and its emission wavelenght is strongly dependent on host lattice. The phosphorescent characteristic of Sr2MgSi2O7: Eu2+, Dy3+ is related to its radiation center and trapping mechanisms. It emits blue and blue-green light and have afterglow time longer than 20 hours visible to human eye. While Eu2+ ions act as emission center, Dy3+ ions take role as space trapping center which can extend the afterglow in the mechanism. If the traps in the long afterglow phosphor are plentiful, it will cause the long afterglow.  Eu2+ and Dy3+  ions settle in the spaces of Sr2+ ion that is in the tetragonal structure of Sr2MgSi2O7.
The first aim of this study is to analyze the effects of rare earth elements in the range of La-Lu in terms of phosphorescence characteristics and radiation duration on Sr2MgSi2O7: Eu2+, Re3+ which is produced by solid state reaction. The second aim is to observe the effects of boric acid on the samples, which have better radiation performance.
In the first part of the experimental work, samples which consist of La, Ce, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu lanthanides were prepared according to Sr1,92MgSi2O7: Eu0,022+, Re0,063+ (8% H3BO3)  formula. Samples were produced using solid state reaction technique. Carbonates such as SrCO3, oxides like SiO2, MgO, Eu2O3, Dy2O3, Er2O3, La2O3, Nd2O3, Sm2O3, CeO2, Pr2O3, Gd2O3, Tb4O7, Ho2O3, Tm2O3, Yb2O3, Lu2O3 and H3BO3 with high purities were mixed and grinded homogeneously via mill-type grinder in ethanol environment for 2 hours and then ethanol was removed by incubation at 115 oC for 12 hours. Powder and pressed samples were heated until 1300 oC with a rate of 10 °C/min and they are heat treated in reductive atmosphere (5% H2, 95% N2) followed by cooling in nitrogen atmosphere. In the second step, compositions, which comprise 0% and 16% boric acid for samples containing europium and dysprosium were prepared. Samples were produced by using the same solid state reaction. Samples which are obtained by these processes were analyzed for their phase and optical characteristics by using XRD and spectrophotometric techniques. XRD powder patterns were obtained using a difractometer PhilipsTM 3710 X-Ray equipped with Cu-Kα radition source. Excitation and emission spectra were measured using VARIANTM fluorescence spectrophotometer.
Totally 22 samples were synthesized and characterized to investigate the effects of rare earth elements and boric acid on structural and optical performance of phosphors. Sr2MgSi2O7  photoluminescent pigment codoped with rare earth elements was prepared which showed long afterglow properties. The main excitation peaks at 365-370 nm and the main emission peaks at 465-470 nm are all attributed to 4f7→4f65d1 transtion of Eu2+. Spectrophotometric analysis showed that all samples have different emission and excitation values and intensities. All the samples can be indexed to tetragonal Sr2MgSi2O7 structure in the space group P421m. Results of  this study indicate that additives which were introduced to the system at 2% and 6% ratios did not damage the crystal structure, single-phased Sr2MgSi2O7 was obtained so that targeted structure was achieved. The doping with small amount of the different ion  has no important influence on the crystal structure. 
The obtained Sr2MgSi2O7:Eu phosphors showed a blue emission approximately 470 nm. The effects of co-activated trivalent rare earth ions on the luminescence properties of the phosphor were not only trap centers but also a luminescence centers. All of the samples had different excitation and emission wavelenghts,  intensities and decay times as it can be seen clearly from the graphics. These results are associated with the trap densities and trap depthes. Therefore, rare earth elements affect characters of phosphors seriously. 
Similar characterization tests were made on target samples which contain different amounts for boric acid. Different phases resulting from low purity of Sr2MgSi2O7 when the ratio for boric acid deviates from 8% in the composition and the formation of  borate are observable in X ray diffraction results.  In addition to this, it had been clarified that boric acid is not only an inert high temperature solvent to accelarate grain growth but also substitutional effect. If the concentration of boric acid increases,  it can react with SiO2, MgO, SrO or  Sr2MgSi2O7  and it brings about the formation of the borate phases. High boric acid content damages the tetragonal crystal structure. B2O3 plays a significiant role in stabilizing phases involving chemical reactions.