Alfa-SiAlON fosfor tozlarının ekonomik sentezi ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) esaslı teknikler ile karakterizasyonu
The cost-effective synthesis and characterization of alpha-SiAlON phosphor powders via scanning electron microscopy (SEM) based techniques
Yazar: MUAMMER HACILAR
Danışman: DOÇ. DR. HİLMİ YURDAKUL
Dumlupınar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering

Özet:
Işık yayan Diyotlar (LED'ler), diğer aydınlatma sistemleri ile karşılaştırıldığında daha üstün özellikler gösterdikleri sebebiyle son dönemde tercih edilen katı hal aydınlatma sistemleri haline gelmiştir. LED yapısını oluşturan malzemelerden genel olarak tercih edilen YAG:Ce malzemelerinin yerini daha üstün performans gösteren fosfor özellikli SiAlON seramikleri almaktadır. Bunun sebebi, Si3N4 esaslı bir malzeme olan SiAlON'ların sentezlenmesi esnasında Al-O atomları yer değiştirirken, Eu+2, Yb+2, Sm+2, Nd+3, Ce+3, Pr+3, Tb+3 gibi nadir toprak element (RE) atomlarının, SiAlON kristal yapılarında bulunan farklı atomik ara-yer boşluklarına yerleşebilmesidir. RE atomlarının bu atomik boşluklara yerleşmesi sonucu, katkılı SiAlON tozlarının ultraviyole (UV) ve mavi ışık altında uyarılmaları sonucu RE atomlarının elektronik yapılandırma geçişlerine (4f4f veya 4f5d) bağlı olarak elektromanyetik spektrumun fosfor özellik kazandığı ve 400-700 nm arasında geniş bir dalga boyu aralığında yayınım sergiledikleri keşfedilmiştir. Fakat SiAlON seramiklerin üretim süreçleri dikkate alındığında, başlangıç hammaddesi olarak yüksek saflıkta Si3N4, Al2O3, AlN ve SiO2 v.b. pahalı malzemeler kullanımıyla birlikte izostatik presleme (HP), gaz basınçlı sinterleme (GPS) gibi yöntemler kullanılarak yüksek sıcaklıklarda sentezlendiğinden maliyetleri çok yüksektir.
Bu tezin amacı, LED uygulamalara alternatif malzeme olan maliyeti yüksek Ca-α-SiAlON seramiklerinin, farklı dalga boyu aralıklarında yayınım sağlayabilecek RE (Yb+2, Sm+2, Nd+3, Ce+3, Pr+3, Tb+3) katkıları yapılarak düşük maliyette fosfor özellikli sentezlenmesi ve elde edilecek ürünlerin karakterize edilmesidir. Bu amaçla, doğada oldukça fazla bulunan doğal kaolen (Al2O3.2SiO2.2H2O), silika (SiO2) başlangıç hammaddeleriyle birlikte CRN tekniği kullanılmıştır. Yapılan çalışmalarda farklı kompozisyonlar, RE katkı miktarları, sinterleme sıcaklıkları ve süreleri kullanılmıştır. Elde edilen Ca-α-SiAlON tozlarının faz içeriği, yüzde miktarları ve detaylı kristallografik analizleri X-Işını kırınım (XRD) tekniği ve Rietveld analizi ile belirlenmiştir. Ca-α-SiAlON fosfor tozlarının hızlandırma ve yayınım dalga boylarını içeren fotolüminesans  (PL) ölçümleri bir flüoresan spektrometresinde gerçekleştirilmiştir. Mikro yapıya ait özellikler taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) esaslı analitik (enerji saçınımlı X-Işını (EDX)) teknikleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Elde edilen veriler dikkate alındığında katkısız Ca-α-SiAlON ana fazı ve farklı RE katkılı fosfor Ca-α-SiAlON tozları başarılı bir şekilde sentezlenmiştir. Yapılan çalışmalarda her bir katkı ele alındığında, değişen geniş spektrumlarda; Ca-α-SiAlON:Yb+2 tozu 535-585 nm arasında yeşil, Ca-α-SiAlON:Sm+2 tozu 735-785 nm arasında değişen geniş bir spektruma kırmızı, Ca-α-SiAlON:Nd+3 tozu 495-545 nm arasında yeşil, Ca-α-SiAlON:Ce+3 tozu 535-585 nm arasında yeşil, Ca-α-SiAlON:Pr+3 tozu 605-655 nm arasında kırmızı, Ca-α-SiAlON:Tb+3 tozu 535-585 nm arasında yeşil ve yeşilimsi sarı renklere karşılık gelen yayınım spektrumu sergilemiştir.

Abstract:
Light emitting diodes (LEDs) has been recently chosen as solid state lightening systems in comparison to their other counterparts due to exhibiting superior properties. SiAlON ceramics showing distingue performance substitute to YAG:Ce which has been regularly used as LED structure constitutes so far. It was because Al-O relocation during the synthesis of SiAlONs, which are Si3N4-based materials, gives rise to incorporate the rare-earth (RE) element atoms, e.g., , Eu2+, Yb2+, Sm2+, Nd3+, Ce3+, Pr3+, and Tb3+, into different interstitial atomic sites within the host crystal structure. Based on the doping with RE atoms in these atomic gaps, SiAlON powders attain to phosphor characteristics in a wide range wavelength between 400-700 nm of electromagnetic spectrum owing to electronic transition of RE atoms (4f4f or 4f5d) under the ultraviolet (UV) and blue lights. However, considering the production routes of SiAlON ceramics, their costs are relatively high since high-purity expensive starting materials such as Si3N4, Al2O3, AlN and SiO2 as well as high temperature vital sintering techniques like hot pressing (HT) and gas pressure sintering (GPS) are generally used in the production line.
The goal of thesis is mainly to cost-effective synthesize the costly Ca-α-SiAlON ceramics which are now used as an alternative new phosphorus material in the market and displaying  different emissions with wide range wavelengths by doping RE atoms (Yb2+, Sm2+, Nd3+, Ce3+, Pr3+, and Tb3+) and to deeply characterize the synthesized powders. For this purpose, naturally-abundant kaolin (Al2O3.2SiO2.2H2O) and silica (SiO2) starting raw materials with CRN method were utilized. The effects of various compositions, RE doping amounts, sintering temperatures and time were investigated. The phase contents, quantitative amounts and detailed crystallographic analysis of Ca-α-SiAlON powders were carried out by X-ray diffraction (XRD) technique and Rietveld analysis. The photoluminescence (PL) measurements including excitation and emission spectrum were examined by a fluorescence spectrometer. Microstructure features were characterized by using scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM)-based imaging and analytical (energy dispersive X-ray (EDX)) techniques. Depending on the obtained data, as-received and RE-doped Ca-α-SiAlON powders were successfully synthesized. Considering the each doping system results, wide range emission spectrum were observed between 535-585 nm for Ca-α-SiAlON:Yb2+, 735-785 nm for Ca-α-SiAlON:Sm2+, 495-545 nm for Ca-α-SiAlON:Nd3+, 535-585 nm for Ca-α-SiAlON:Ce3+, 605-655 nm for Ca-α-SiAlON:Pr3+, and 535-585 nm for Ca-α-SiAlON:Tb3+ powders corresponding the green, red, green, green, red, green and greenish yellow colors, respectively.