ZnTe kuantum nokta katkılı camların geliştirilmesi ve kuantum kısıtlama özelliklerinin incelenmesi
Development of ZnTe quantum dot-doped glasses and investigation of quantum confinement properties
Yazar: İPEK TUNÇ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MİRAY ÇELİKBİLEK ERSUNDU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Kuantum mekanik özellik gösterebilecek kadar küçük boyutlu, yaklaşık 10 ila 100 atomdan oluşan yarı iletken yapay atom kümeleri olarak tanımlanabilen kuantum noktalar, elektron-boşluk çiftinin hareketinin 3 boyutta kısıtlanması sonucu gösterdikleri kuantum sınırlama özelliği ile değiştirilebilir bant aralığı enerjisine sahiptir ve buna bağlı olarak ayarlanabilir optik ve elektriksel özellikler sunmaktadır. Bu sıra dışı özellikleri ile kuantum noktalar ışık yayan diyotlar, lazerler, optik filtreler, güneş hücreleri ve biyo görüntüleme gibi birçok uygulama alanına sahiptir ve keşfedildikleri tarihten beri kuantum noktalar konusunda yapılan çalışmalar artarak devam etmiştir.
Kuantum noktalar konusunda günümüze kadar yapılan çalışmaların çoğu Cd ve Pb esaslı kuantum noktalar üzerine odaklanmıştır, ancak son yıllarda devreye alınan çevresel düzenlemeler, ağır metallerin gösterdiği toksik özellikler nedeniyle Cd ve Pb içeren bu malzemelere kullanım kısıtı getirmiştir. Toksik özellik göstermedikleri için son zamanlarda araştırmaların odaklandığı Zn esaslı kuantum noktalar arasında ise ZnTe, en küçük bant aralığı enerjisine, en büyük Bohr uyarım yarıçapına ve insan gözünün en hassas olduğu 550 nm'de ışıma dalga boyuna sahip olmasıyla dikkat çekmektedir.
Kuantum noktaların üretimi için kullanılan farklı yöntemler ve bu yöntemlerin her birinin farklı avantaj ve dezavantajları vardır. Bu yöntemler arasında uygulanması en kolay ve en çok tercih edilen yöntem olan yaş kimyasal yöntemde aglomerasyon ve düşük kararlılık gibi sorunlarla karşılaşılırken; diğer bir yöntem olan iyon aşılamada ise işlem sırasında malzeme yüzeyinde oluşturulan hatalar ve kuantum nokta sentezinin malzeme yüzeyiyle sınırlı kalması yönteme kullanım kısıtı yaratmaktadır. Diğer yöntemlerden farklı olarak kuantum noktaların fiziksel ve kimyasal olarak kararlı yapıya sahip inorganik cam matrisler içerisinde ergitme-döküm-kristalizasyon yöntemi ile sentezlenmesi ise, kuantum noktalara kontrollü büyüme imkanı ve yüksek stabilizasyon sağlarken; cam malzemelerin kolay şekillendirilebilir olması kuantum nokta katkılı camların birçok farklı uygulamaya yönelik üretimini kolaylaştırmaktadır. Bu avantajlı özelliklerinden dolayı kuantum noktaların cam matrisler içerisinde kontrollü kristalizasyonla üretilmesine yönelik çalışmalar önem kazanmıştır.
Opto-elektronik ve fotonik uygulamalarda yüksek kullanım potansiyeline sahip tellürit camlar ve bu uygulama alanlarında hali hazırda kullanılan soda kireç camlar içerisinde kuantum noktaların kontrollü olarak kristalizasyonu ile geliştirilecek cam nanokompozitler, özellikle sağlayacakları kontrol edilebilir optik ve elektriksel özellikler ile güneş pilleri, LED'ler ve lazerler gibi uygulamalar açısından büyük önem taşımaktadır. Bu amaca yönelik olarak literatürde ZnTe kuantum nokta katkılı camlar hakkında yapılan çalışmalar incelendiğinde, çalışmaların fosfat ve borosilikat esaslı tek bir cam kompozisyonunda kuantum noktaların sentezlenmesi ve sentezlenen bu kuantum noktaların tane boyutu karakterizasyonu konularına odaklandığı görülmüştür. Bu çalışmalar kapasamında, ZnTe kristalizasyonuna işlem süresinin, cam matrisin ve ZnTe katkı oranının etkisi hakkında çok kısıtlı bilgi bulunmaktadır. Ayrıca daha önce ZnTe kuantum noktalar konusunda yapılan çalışmalarda soda-kireç ve tellürit cam matrislerden kristalizasyon konusunda gerçekleştirilmiş bir çalışma bulunmamaktadır.
Bu tez çalışması kapsamında, ZnTe kuantum noktalar opto-elektronik ve fotonik uygulamalarda yüksek kullanım potansiyeline sahip tellürit camlarda ve hali hazırda bu uygulamalarda kullanılan geleneksel soda-kireç cam bileşimine sahip silika camlarda kontrollü olarak kristallendirilmiş ve elde edilen ZnTe kuantum nokta katkılı cam nanokompozitlerle gerçekleştirilen optik, ısıl, faz ve mikroyapısal analizler ile cam matrisin, ısıl işlem süresinin ve ZnTe katkı oranının ZnTe kuantum noktaların kristalizasyon davranışına olan etkisi incelenmiştir. Ayrıca elde edilen sonuçlar ışığında cam nanokompozitlerin kuantum kısıtlama özellikleri değerlendirilmiştir. Bu tez çalışması ile ZnTe katkılı soda kireç ve tellürit cam nanokompozitler ilk defa sentezlenmiş ve cam matrisin, ZnTe katkı miktarının ve ısıl işlem süresinin ZnTe kuantum noktaların kristalizasyon davranışı üzerine olan etkisi ilk defa sistematik olarak incelenmiştir.

Abstract:
Quantum dots can be defined as artificial semiconductor atom clusters comprised of 10 to 100 atoms which are small enough to show quantum mechanical properties. Due to confinement of excitons in three spatial dimensions, quantum dots show quantum confinement effect and their band gap energies can be modified by changing their size. With these adjustable optical and electrical properties, quantum dots have many applications such as LED's, lasers, optical filters, solar cells, photo detectors, bioimaging, etc. Therefore, number of studies carried out in this field have dramatically increased. Until today, studies about quantum dot doped glasses mostly focused on Cd and Pb based quantum dots, however due to new environmental regulations about the toxicity of heavy metals the usage of these materials are significantly restricted. Therefore, nowadays, Zn based quantum dots are in great demand due to their non-toxicity. Among Zn based quantum dots, ZnTe quantum dots step forward due to their favarable properties such as radiation in the most sensitive region for human eye, narrowest band gap and widest Bohr exciton radius.
Until today many different methods were used for quantum dot production and each method has its own advantages and disadvantages. For example, agglomeration and low stability are the limitations for wet chemical method which is the easiest and most common technique for quantum dot production. Furthermore in ion implantation method, synthesizing of quantum dots are limited around the surface and surface deformations that are created during process restrict the utilization of this method. Different from the methods mentioned above, production of quantum dots in physically and chemically stable matrices such as inorganic glasses by melt-quenching-crystallization method provides high stability and possibility of controlled growth to quantum dots. Also ease of formability of glasses makes easier the reproducibility of quantum dot glasses for different applications. Due to these advantages production of quantum dot doped glasses by melt-quenching-crystallization method steps forward.
Synthesizing of quantum dots in tellurite glasses which have high potential in opto-electronic and photonic applications and in soda-lime glasses which are already in use in opto-electronic and photonic applications have a great importance for the development of glass nanocomposites with adjustable electrical and optical properties to use in solar cells, LEDs, lasers, etc. Taking into account all the literature studies realized on ZnTe quantum dot doped glasses, it is observed that most of them are focused on crystallization of the quantum dots in phosphate and borosilicate glass systems and determination of the quantum dot's particle sizes. However there are very few researches about how does crystallization of quantum dots affect by changing crystallization time, glass composition and ZnTe amount. Also there is no research about crystallization behavior of ZnTe quantum dots in soda-lime and tellurite glass matrices.
In this present work, ZnTe quantum dots were synthesized in tellurite glasses which has high potential in opto-electronic and photonic applications and in soda-lime glasses which is already in use in opto-electronic and photonic applications by controlled crystallization. Also effect of time, glass matrix and ZnTe amount on crystallization process was investigated by optical, thermal, phase and microstructural analyses. Finally, quantum confinement properties of synthesized glass nanocomposites are evaluated. With this work, ZnTe doped soda-lime and tellurite glass nanocomposites were synthesized and effect of time, glass composition and ZnTe amount on ZnTe crystallization process was investigated systematically for the first time.