Nanoteknolojik uygulamalar için nanoparçacık ve nadir toprak iyonu katkılı bor tabanlı camlar
Nanoparticle and rare earth ion doped borate-based glasses for nanotechnological applications
Yazar: DENİZ KOÇYİĞİT
Danışman: DOÇ. DR. MELİS GÖKÇE
Aydın Adnan Menderes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Amorf malzeme = Amorphous material ; Cam = Glass ; Fotonik kristaller = Photonic crystals ; Gümüş nanopartiküller = Silver nanoparticles ; Nadir toprak elementleri = Rare earth elements ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Optik fizik = Optical physics

Özet:
Amaç: Bu tez çalışmasının temel amacı disprosyum (Dy+3) iyonu ve gümüş nanoparçacık (NP) katkılı bor tabanlı cam sistemlerini sentezlemek, sentezlenen camların fiziksel, yapısal, termal, optik ve lüminesans özelliklerini katıhal aydınlatma, ileri fonksiyonel malzeme teknolojileri ve nanoteknolojik uygulamalar açısından araştırmak ve geliştirmektir.
Gereç ve Yöntem: Eritme-tavlama yöntemi ile sentezlenen camların yoğunluk ölçümleri Archimedes prensibine göre belirlenmiş ve çeşitli fiziksel özellikleri hesaplanmıştır. Cam malzemelerin yapısal özellikleri X-ışını toz kırınımı (XRD) yöntemi ve Raman spektroskopisi kullanılarak araştırılmıştır. Yapıda oluşan Ag NP'lerin varlığı ve boyutları Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM) ile belirlenmiştir. Diferansiyel tarama kalorimetre (DSC) ölçümleri ile termal analizleri yapılmıştır. Morötesi-görünür-yakın kızılötesi (UV-Vis-NIR) spektrometresi kullanılarak örneklerin soğurma ve geçirgenlik spektrumları elde edilmiştir ve optik band aralığı enerjisi, kesme kenarı dalgaboyu, geçirgenlik değerleri, bağ parametresi, elektron bulutu genişleme oranı, Judd Ofelt (J-O) şiddet parametreleri gibi önemli optik özellikleri hesaplanmıştır. Fotolüminesans (PL) yayınlanma ve uyarma spektrumlarından yararlanılarak, elektronik enerji seviyeleri, yayınlanma dalga boyları ve maksimum lüminesans şiddeti veren Dy+3 ve Ag+ iyonu katkı oranları belirlenmiştir. Ag ve Dy+3 iyonları arasındaki enerji transferi mekanizması Förster-Dexter teorisinden bulunmuştur. Işıma parametreleri, J-O hesaplamalarından ve PL spektrumlarından faydalanarak elde edilmiştir. Uluslararası Aydınlatma Komisyonu (CIE) renk koordinatları diyagramından renk koordinatları ve ilişkili renk sıcaklık değerleri belirlenmiştir. Sentezlenen camların zamana bağlı lüminesans analizlerinden bozunma zamanları hesaplanmıştır.
Bulgular: Sentezlenen tüm camlar homojen ve saydam yapıdadır. Örneklerin XRD kırınım desenlerinde herhangi bir kırınım pikine rastlanmamıştır ve cam matrisin amorf yapısı doğrulanmıştır. Raman analizleri, hazırlanan camlarda B–O gerilme titreşimleri ile [BO3] ve [BO4] birimlerinin varlığını göstermiştir. TEM görüntüleri, cam matrislerinde ortalama çapı yaklaşık 7,58-14,58 nm arasında değişen küresel gümüş NP'lerin varlığını ispatlamıştır. Hesaplanan bağ parametrelerinin negatif değeri, Dy+3 iyonları ve onu çevreleyen ligandlar arasındaki bağın iyonik karakterde olduğunu göstermiştir. J-O parametrelerinden Ω2 gümüş katkısının ve ısıl işlem süresinin artmasıyla azalmıştır. En şiddetli yayınlanma bandları y=%1.0 wt Ag katkısında ve t = 6s ısıl işlem süresinde gözlenmiş olup daha yüksek katkı oranında ve ısıl işlem süresinde lüminesans baskılanması meydana gelmiştir. Ag+'lardan Dy+3 iyonuna enerji transfer mekanizmasının kuadrupol-kuadrupol tipte olduğu bulunmuştur. Sarı bölgede yer alan 572 nm yayınlanma bandının daha yüksek ışıma parametrelerine sahip olduğu tespit edilmiştir. Tüm camların CIE renk koordinatları ve CCT değerleri beyaz ışık bölgesinde yer almaktadır. Ag+ iyonlarının 1S0→3D1 geçişi ve Dy+3 iyonlarının 4F9/2→6H13/2 geçişinin bozunma zamanı değerleri Ag+'dan Dy+3 iyonlarına enerji transferini doğrulamaktadır.
Sonuç: Bu çalışmada elde edilen özgün bulgular ışığında katıhal aydınlatma sistemleri ve nanoteknolojik uygulama alanlarında kullanılan diğer malzeme gruplarına alternatif olabilecek, optik ve lüminesans özellikleri geliştirilmiş yeni nesil bor tabanlı ileri fonksiyonel cam malzemeleri üretilmiştir.

Anahtar kelimeler: Cam, Dy+3 İyonu, Gümüş Nanoparçacık, Katıhal Aydınlatma, Sodyum Alümina Borat

Abstract:
Objective: The main aim of this thesis study is to synthesize and develop dysprosium (Dy3+) ion and silver nanoparticle (NP) doped borate glass systems, to investigate and develop the physical, structural, thermal, optical and luminescence properties of synthesized glasses in terms of solid-state lighting, advanced functional material technologies and nanotechnological applications.
Material and Methods: Density measurements of the glasses synthesized by the melt-quenching method were determined according to the Archimedes' principle and various physical properties were calculated. The structural properties of glass materials were investigated using x-ray powder diffraction (XRD) method and Raman spectroscopy. The presence and dimensions of Ag NPs formed in the structure were determined by Transmission Electron Microscopy (TEM). Thermal analysis processes were performed with differential scanning calorimetry (DSC) measurements. Absorption and transmittance spectra of the samples were obtained using ultraviolet-visible-near-infrared (UV-Vis-NIR) spectrometer and important optical properties such as optical band gap energy, cut-off edge wavelength, transmittance values, bonding parameter, nephelauxetic ratio and Judd Ofelt (J-O) intensity parameters were calculated. By using photoluminescence (PL) emission and excitation spectra, electronic energy levels, emission wavelengths and Dy3+ ion and Ag+ concentrations, which give the maximum luminescence intensity, were determined. The energy transfer mechanism between Ag+ and Dy+3 ions was found from the Förster-Dexter theory. Radiative parameters were obtained using J-O calculations and PL spectra. Color coordinates and correlated color temperature values were determined from the Commission Internationale d'Eclairage (CIE) chromaticity coordinates diagram. Decay times were calculated from the luminescence decay analyzes of the synthesized glasses.
Results: All synthesized glasses are homogeneous and transparent. No diffraction peaks were found in the XRD diffraction patterns of the samples and the amorphous structure of the glasses matrix were confirmed. Raman analysis verified the existence of [BO3] and [BO4] groups with B–O stretching vibrations in the prepared glasses. TEM images demonstrated the presence of spherical silver NPs in glass matrices with an average diameter of about 7,58-14,58 nm. The negative value of the calculated bonding parameters indicates the ionic nature between the Dy3+ ions and its surrounding ligands. J-O parameter, Ω2 decreased with increasing silver concentration and heat treatment time. The most intense emission bands were observed at y=1.0 wt% Ag concentration and t = 6s heat treatment time, and luminescence quenching occurred for higher doping ratio and heat treatment time. It was found that the energy transfer mechanism from Ag+ to Dy3+ ion is quadrupole-quadrupole type. It was determined that the 572 nm emission band in the yellow region had higher radiative parameters. The CIE chromaticity coordinates and CCT values of all glasses are located in the white light region. The decay time values of 1S0→3D1 transition of Ag+ ions and 4F9/2→6H13/2 transition of Dy3+ ions confirm the energy transfer from Ag+ to Dy3+ ions.
Conclusion: In the light of the original findings obtained in this study, new generation borate-based advanced functional glass materials with improved optical and luminescence properties, which can be an alternative to other material groups used in solid-state lighting systems and nanotechnological application areas, were produced.

Keywords: Glass, Dy3+ Ion, Silver Nanoparticle, Solid-State Lighting, Sodium Alumina Borate