Geçirimli elektron mikroskopi (TEM) teknikleri ile SİAlON esaslı malzemelerin atomik ölçekte karakterizasyonu
Atomic scale characterization of SİAlON based materials through transmission electron microscopy (TEM) techniques
Yazar: HİLMİ YURDAKUL
Danışman: PROF. DR. SERVET TURAN
Anadolu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Seramik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı, çeşitli geçirimli elektron mikroskobu (TEM) teknikleri ile SiAlON esaslı malzemeleri atomik ölçekte karakterize etmektir. Literatürde ilk defa, sonuçlar göstermiştir ki: (i) Yb ve Ce atomları kendilerine özgü olan ara-yer kafes pozisyonlarında tercihli olarak ß-SiAlON kristal yapısı içerisine girmişlerdir. Ayrıca Yb'un bu özel ara-yer boşluklarında Ce'dan daha fazla çözünülürlüğe sahip olduğu belirlenmiştir; (ii) Daha açıklayıcı olarak,Yb atomları iki hegzagonal halka arasında yer alırken, Ce atomlarının çoğunluğu ise hegzagonların içerisinde bulunmaktadır; (iii) Bu gözlem aynı zamanda Yb-Ce ikili katyon sisteminde de doğrulanmıştır; (iv) Herhangi bir yardımcı katyon ilavesi olmaksızın Ce atomları ?-SiAlON birim hücresinin üçgensel şekilli ara-yer sitelerinde bulunmaktadır; (v) Yb ve Ce atomları kalınlığı yalnızca 1 nanometreden daha az olan tanelerarası filmlerin (IGFs) yapısında tamamıyla amorf olmayan ve yarı-kristalin bir yapı oluşumuna karşılık gelen düzenli ve farklı bir şekilde sıralanmışlardır; (vi) Yb ve Ce atomları aynı zamanda kristalin/amorf (?-ß SiAlON'lar/üçlü noktalar) arasındaki ara-yüzeylerde atomların bir küme haline gelerek sıralandığı geçiş bölgesi oluşturmuşlardır;(vii) Fe, Cr ve Ti atomları temel (Si,Al)(O,N)4 tetrahedronlarında bir yer değiştirme mekanizması yardımıyla ß-SiAlON kristal yapısı içerisine girmişlerdir ve (viii) Yb ve Ce katkılı ß-SiAlON kafeslerinde yüksek lüminesans karakterin belirlenmesi güçlü bir şekilde ß-SiAlON:Yb+2 ve ß:SiAlON:Ce+3 fosforlarının sentezlenmesini önermektedir. Kısaca, burada sunulan ileri TEM bulguları bireysel nadir toprak ve geçiş metal atomlarının ?- ve ß-SiAlON kafesleri, IGF'ler ve ara-yüzeylerde açık bir şekilde görüntülenmesi ve belirlenmesini göstermektedir. Bu kapasite SiAlON esaslı yeni nesil yapısal ve optik malzemelerin her ikisinin tasarımında nasıl uygun katkı atomları ve ana SiAlON polimorflarının seçilmesi gerektiği hakkında yeni atomik seviye mühendislik yaklaşımları sunmaktadır. Bu tez çalışmasında elde edilen sonuçların, aynı zamanda farklı uygulama alanlarında kullanılan nadir toprak ve geçiş metal atomları ile katkılanmış malzemelere öncülük etmesi beklenmektedir.

Abstract:
The goal of this thesis is to characterize the SiAlON based materials at atomic scale through a variety of transmission electron microscopy (TEM) techniques. For the first time in the literature, the results demonstrate that: (i) Yb and Ce atoms are preferentially incorporated into the ß-SiAlON crystal structure at the atom-specific interstitial lattice locations, yielding higher solubility for Yb than Ce; (ii) More expressly, Yb atoms take place in between two hexagonal rings, whereas Ce atoms mostly exist in the middle of hexagons; (iii) This observation is also confirmed in the Yb-Ce co-doped system; (iv) Ce atoms without any co-doped cation are present in the triangular-like host sites of ?-SiAlON unit-cell, accommodating much more atoms than interstitial hexagons in ß-SiAlON; (v) Yb and Ce atoms are periodically and differently arranged in the structure of intergranular films (IGFs) with only less than 1 nanometer thickness, explaining that they are in semi-crystalline nature, not completely amorphous;(vi) Yb and Ce atoms also constitute a clustered atomic transition-zone between the crystalline/amorphous interfaces, i.e., ?-ß SiAlONs/triple junctions; (vii) the Fe, Cr and Ti atoms enter in the ß-SiAlON crystal structure, leading a substitution mechanism in basic (Si,Al)(O,N)4 tetrahedrons, and (viii) the determination of highly luminescent character in Yb and Ce doped ß-SiAlON lattices strongly suggests the synthesis of ß-SiAlON:Yb+2 and ß:SiAlON:Ce+3 phosphors. Shortly, advanced TEM findings presented herein clearly show the visualization and identification of individual rare-earth and transition metal atoms in ?- and ß-SiAlON lattices, IGFs and interfaces. This capability offers new atomic-level engineering insights into how appropriate doping atoms and host SiAlON polymorphs should be chosen for tailoring of both next-generation SiAlON based structural and optical materials. It is also anticipated that the obtained results in this thesis will be applicable as guidelines for many kinds of rare-earth and transition metal atom doped materials using in different applications.