Katı hal aydınlatma uygulamaları için CsPbBr3 perovskit kuantum nokta ve lantanit katkılı cam nanokompozitlerin geliştirilmesi
Development of CsPbBr3 perovskite quantum dot and lanthanide-doped glass nanocomposites for solid state lighting applications
Yazar: ERDİNÇ EROL
Danışman: DOÇ. DR. ALİ ERÇİN ERSUNDU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Aydınlatma = Lighting ; Kuantum noktaları = Quantum dots ; Lantanitler = Lanthanids ; Perovskitler = Perovskite

Özet:
CsPbBr3 perovskit kuantum noktalar (PQD'ler) üstün optik ve elektronik özellikleri sayesinde yüksek ışıma verimli katı hal aydınlatma sistemlerinin geliştirilmesi için en uygun yeşil ışık kaynaklarından birisi olarak kabul edilmektedir. Ancak, kolloidal yöntemle sentezlenen CsPbBr3 PQD'lerin toksik bir element olan Pb içermeleri, ölçeklendirilebilir üretimindeki zorluklar ve en önemlisi ısı, nem, ışık gibi dış ortam koşullarına maruz kaldıklarında kolaylıkla bozunarak ışıma performanslarını kaybetmeleri bu malzemelerin ticarileşmesinin önündeki başlıca engellerdir. Bu tez çalışmasında, bahsedilen engellerin ortadan kaldırılması ve ışıma özelliklerinin uzun süre korunabilmesi için CsPbBr3 PQD'ler özel olarak tasarlanmış tellürit, silika ve borosilikat esaslı cam matrisler içerisinde ergitme döküm sonrası kontrollü ısıl işlemler ile sentezlenerek cam nanokompozitler (CNK'ler) elde edilmiştir. Ayrıca, CsPbBr3 PQD'lerin katı hal aydınlatma teknolojilerinde kullanılmak üzere çok renkli ışıma özelliklerindeki eksikliğin giderilmesi ve renk sunuş endeksi (CRI) gibi renkle ilişkili özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla CsPbBr3 PQD'ler Eu+3/Tm+3 ve Eu+3/Dy+3 lantanit çiftleri ile ayrı ayrı katkılandırılarak PQD ve lantanit katkılı CNK'ler geliştirilmiştir.
Isıl işlem parametrelerinin ayarlanmasıyla CsPbBr3 PQD'lerin boyutlarının ve buna bağlı olarak optik bant aralığı ve ışıma renklerinin kontrol edilebildiği kanıtlanmıştır. Gerçekleştirilen çalışmalar kapsamında kolloidal CsPbBr3 PQD'lerin göstermiş olduğu yüksek fotolüminesans kuantum verimi (PLQY) değerlerine geliştirilen CNK'ler ile ulaşılmış, hatta borosilikat CNK'ler ile %96,75'e varan PLQY değerleri elde edilmiştir. CNK'lerin kararlılık testleri sonucunda özel olarak tasarlanan cam sistemlerinin CsPbBr3 PQD'leri sıcaklık, nem ve ışık gibi dış ortam koşullarına karşı etkin şekilde koruyabildiği ve bu sayede ışıma performanslarında kayda değer kayıplar meydana gelmediği tespit edilmiştir. Son olarak geliştirilen CNK'lerin LED uygulamalarında kullanım potansiyellerinin değerlendirilmesi için seçilen CNK'ler ile farklı katı hal aydınlatma cihaz prototipleri geliştirilmiş ve CRI (30,7–85), renkle ilişkili sıcaklık (CCT, 3692 K–5920 K), CIE renk koordinatları gibi renkle ilişkili özellikler açısından umut verici sonuçlar elde edilmiştir. Sonuç olarak, üstün ışıma performansına ve yüksek kararlılığa sahip CsPbBr3 PQD ve lantanit katkılı CNK'lerin ticari uygulamalar için gelecek vaat eden bir malzeme grubu olduğu ortaya konulmuştur.

Abstract:
CsPbBr3 perovskite quantum dots (PQDs) are regarded as one of the most suitable green-emitting materials for the development of highly-efficient solid-state lighting systems owing to their superior optical and electronic properties. However, there are substantial impediments to the commercialization of CsPbBr3 PQDs such as, difficulties in their scalable production, toxicity issues of Pb, and most importantly fast degradation of their luminescent properties upon external stimuli such as moisture, light, and heat. In this thesis, CsPbBr3 PQDs are synthesized in specially designed tellurite, silicate, and borosilicate glass systems via melt-quenching followed by controlled heat treatment method to preserve their luminescence properties by overcoming the above-mentioned obstacles. Additionally, CsPbBr3 PQDs and lanthanide pairs (i.e., Eu3+/Tm3+ and Eu3+/Dy3+) doped glass nanocomposites (GNCs) are developed to obtain multicolor emissions and to improve color-related properties including color rendering index (CRI). 
It was proved that the size of CsPbBr3 PQDs and accordingly the optical bandgap and emission colors can be controlled by adjusting the heat treatment parameters. The high photoluminescence quantum yield (PLQY) values reached by colloidal CsPbBr3 PQDs were achieved with the developed GNCs, and even PLQY values up to 96.75% were obtained with borosilicate GNCs. Stability test results proved that the specially designed glass systems effectively protect CsPbBr3 PQDs against chemical, thermal and photo degradation, and thus no noticeable decrease in emission performance occurred. Finally, several LED device prototypes were constructed using selected GNCs to assess the potential of glass nanocomposites in solid-state lighting applications. Hence, promising results regarding color-related properties such as CRI (30.7-85), correlated color temperature (CCT, 3692 K-5920 K) and CIE color coordinates were obtained. Consequently, CsPbBr3 PQDs and lanthanides doped GNCs with superior luminescence performance and excellent stability were demonstrated to be up-and-coming materials for commercial applications.