Neodiyum (Nd+3) iyonu ile katkili silisyum oksit (SiO2 ) camlarinin mikro-yapi ve optik özelliklerine ZnSe kuantum noktalarinin etkisi
The effect of neodymium ion (Nd3+) doped silisyum dioxide (SiO2) glasses on the micro-structure and optical properties of ZnSe quantum dots
Yazar: THAMİ ELBOUKHARİ
Danışman: PROF. DR. GÖNÜL ÖZEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Gauss yöntemi = Gaussian method ; Kuantum = Quantum ; Kuantum fiziği = Quantum physics ; Kuantum noktaları = Quantum dots ; Saf su = Pure water ; Spektroflorometre = Spectrofluorometer ; Spektrofotometre = Spectrophotometer ; Spektrometri = Spectrometry ; Spektroskopi = Spectroscopy ; Sıvılar = Liquids

Özet:
Günümüzde nanoteknoloji bilimi hızla gelişmekte ve uygulama alanları artmaktadır. Örneğin aldığımız ilaçta, yediğimiz yemekte, kullandığımız kimyasalda, kullandığımız araçlarda ve daha fazlasında nanoteknoloji ürünlerini görmek mümkündür. Fiziksel etkiler nanokristallerin kuantum boyut etkisi ile ilgilidir ve bu materyallerin elektronik yapıları radikal olarak değiştirilebilir. Nanokompozit yapıları elde etmek için pek çok yöntem geliştilmiştir. Sol-jel, supersaturated glass sol, RF-sputtering gibi. Bunların hepsi düzgün yayılmış nanoparçacıkların, kuantum boyut etkilerini anlamada etkilidir.Yarı iletken nanokristaller elektronik, optik ve manyetik alan uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Özellikle üzerinde durulması gereken alanların başında lazer uygulamaları gelmektedir. Bu yarı iletkenlerin en önemli özelliği, bant-gap aralığında barındırdığı kuantum noktaları olup, yarıiletkenin yapıldığı maddeye bağlı olarak farklı özellikler göstermesidir. Nd+3 iyonu ile katkılı SO2 camlarının mikroyapı ve optik özelliklerine ZnSe kuantum noktalarının etkisi inceleyebilmek için, dört farklı şekilde hazırlanan örnekler, sol-jel yöntemi ile hazırlanmaktadır.Örnekleme aşamasında, neodimyum(III) nitrat kullanılmakta ve bu katkı maddesinin kuantum noktalarına girmesi araştırılmaktadır. ZnSe nano kristaller, sol-jel yöntemi ile hazırlanmaktadır. Malzemenin içerisinde kalan kalıntıları (Su) gidermek için hazırlanan numune laboratuvar ortamında 24 0C'de bir saat kadar bekletildikten sonra, 60 0C sıcaklıktaki fırında 7-10 gün bekletilmektedir. Bir haftalık bu sürenin ardından, numuneler iki farklı tavlama işlemine tabi tutulur. Birisinde 410 0C'de bir saat bırakılır, diğerinde ise 600 0C' de bir saat tavlama yapılır. Bu işlemlerden sonra numune ölçüm için hazırdır.Numunelerin XRD ölçümleri yapılmıştır. Alınan grafiklerdeki piklerden kuantum noktaları oluştuğu görülmektedir. Kantum noktaları boyutları hesaplamak için alınan datalar fit edilerek, FW 1/5/4/5 M ve Scherrer yöntemleri ile hesaplamaları yapılmıştır. Sonuçlarımız 4-10 nm aralığında bulunmuştur ve bu sonuçlar, örneklerimizin kuantum noktalarına sahip olduğunu göstermiştir.Elde ettiğimiz örneklerin absorpsiyonlarını ölçmek için spektrometrik ölçümleri yapılmıştır. Bu ölçümlerde enerji bant aralıkları gözlemlenmiştir. Bu veriler doğrultusunda, direkt ve indirekt, optik bant aralığı, Urbach enerjileri, Tauc yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır.Nd+3 için enerji geçişlerindeki osilatör şiddeti, hem 410 0C'deki, hem de 600 0C'deki tavlanmış örnekler için hesaplanmıştır. 600 0C'de tavlanmış olan örneğin osilatör şiddeti, 410 0C'de tavlanmış örneğe göre daha yüksek sonuçlar vermiştir.

Abstract:
Nowadays nanotechnology has been fastly improved and its application fields has increased. For example it is used in medicine, food products, the chemicals we use, vehicles and in other areas. Physical effects are related to the quantum size effect and the quantum size effect can radically change the materials electronic structures.There have been generated many methods for instance sol-gel, supersaturated glass sol, RF sputtering to obtain the cosmosit structures. All of these methods are effective to understand homogenically dispersed nanoparticles quantum size effects.Semi-conductor nano-crystals are frequently used in electronics, optics and magnetic field applications areas.Most importantly laser applications is necessarily need to be investigated in this manner. These semi-conductors? most important feature is the quantum dots which they host in the bant gap and the quantum dots different features when the semi-conductor?s material change. To observe the kuantum dot effects to the micro structure and optic features of Nd3+ added SiO2 glasses, four different samples are prepared with sol-gel method.Sol-gel method has been used oftenly for about 40 years by scientists working on the material technology. The reason of the often usage of sol-gel method is not just because of its chemical and physical properties, but because of its colloid feature which provides the wide range of opportunities to synthesize different materials.Sol-gel methods are based on inorganic polymerization reactions. In this method, with the expension of the metal oxo polymers in a solvent, the macromolecules are obtained. Starting from a molecular precursor, and auditable with the chemical design and by the hydroxylation - condensation reactions, macromolecular oxide network can be synthesized . In this way, transparent metal oxide sols and gels can be easily produced.Semiconductor nanoparticles such as CdSe, CdS, ZnO and ZnSe are widely used due to their high quantum efficiency. These substances frequently used in the fields of physics, chemistry, spectroscopy, biology, medicine and even security and other industrial applications.X-ray wavelengths are electromagnetic waves ranging from 0.1 to 0.001 nm. X-rays are more energetic than ultraviolet (UV) rays but weaker than gamma rays. When the phenomenon of penetration of the X-rays into low density solid matter, scientists started to use X-rays to study the skeletal system of the animals and humans.Bragg used X-rays to understand the properties of the crystals and their structures. The 2d.sin(?) = n? formula gives the particle size (d) of the crystalline layers. Here, n is an integer (Takes 1,2,3 ...) and is the diffraction degree. Lambda is the wavelength of the incident light. Theta is the diffraction angle. Lately, Scherrer developed another formula, known as Debye-Scherrer equation, which gives the radius of the crytalline nano- and micro-particles.The aim of this work is to synthesize SiO2-ZnSe-Nd3+ optical glass system and to investigate the effects of luminescent neodymium(III) on luminescence properties of ZnSe quantum dots.Samples were synthesized using chemical sol-gel method. Particle size analyses were performed by Scherrer and Pielazsek calculations based on X-Ray diffraction datas. Finally, in order to investigate the optical properties of the samples, absorption studies were performed.In the sampling phase, neodymium(III) nitrate was used and this matter?s entering to the quantum dots is explored. ZnSe nano crystals prepared by the sol-gel method. In order to remove the remained residue (Water and organic substances), the sample held in the laboratory at 24 0C for one hour, then at the oven temperature of 600 0C held for 7-10 days. After this period of one week, two different annealing processes are applied.The samples are left for an hour, one of them at 410 0C, and the other at 600 0C. After that the sample is ready for measurement.In literature, it is reported that the samples must be left in oven for 6 weeks. Our novel method decreased this time dramatically, to 1 week. Our experimental results show that 1 week annealing gave the same results.XRD measurings were made for the samples. The peaks at the charts which we obtained are the evidence of exince of kuantum dots. After the datas were fitted with the P7 function, with the FW1/5-4/5M and Scherrer methods calculations done.The calculations which is made by the method of Pielazsek, for the same sample, virtually the same quantum size of the dots is found. Standard deviation is very small. Angle increases in the share equation using the Scherrer equation, has also increased the size of quantum dots and the other method, the larger the standard deviation was calculated. The results of XRD graph shows that quantum dots (ZnSe) successfully settled in SiO2. In the example of Nd+3, the size distribution width is smaller than the width of the size distribution of the other samples. This observation shows that for the size distribution of ZnSe to occur in a most suitable way during formation of the reaction,there is a neccesity for the Nd3+.Our results are found in the range of 4-10 nm. These results have shown that our samples have quantum dots.Spectrometric measurements were performed to measure the absorptions of the samples. Bandgap energies are observed in these measurements. Based on these data, direkt and indirekt optical bant gap, Urbach energies, calculated using the Tauc method.Nd(III) oscillator strength for energy crossing at 410 0C and at 600 0C annealed samples were calculated. the oscillator strength of the sample which is annealed at 600 0C, gave higher results than the sample annealed at 410 0C.