Atomik katman biriktirme (ALD) yöntemi ile kaplanan alüminat sisteminde ışıldar malzemelerin fotolüminesans ve mekanolüminesans özelliklerinin araştırılması
The investigation of photoluminescent and mechanoluminescent properties of aluminate-based phosphorescence materials encapsulated with atomic layer deposition (ALD) method
Yazar: ERKUL KARACAOĞLU
Danışman: PROF. DR. MESUT UYANER ; DOÇ. DR. ESRA ÖZTÜRK
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering
Dizin: Fotolüminesans = Photoluminescence ; Kalsiyum alüminatlar = Calcium aluminates ; Kaplama malzemeleri = Coating materials ; Lüminesans spektroskopisi = Luminescence spectroscopy ; Seramik malzemeleri = Ceramic materials ; Toz karakterizasyonu = Powder characterization ; Yüzey kaplama = Surface coating ; Yüzey kaplama malzemeleri = Surface coating materials ; Yüzey kaplama yöntemleri = Surface coating methods ; Çekme gerilme testi = Tensile stress test

Özet:
Alüminat esaslı, uzun süre ışıma yapan fosfor (ya da ışıldar) malzemeler üzerinde yoğunlukla çalışılmış ve hala potansiyel olarak birçok araştırma konusuna dahil edilmektedirler. Bu tez çalışmasında da Eu+2 aktivatör (ya da ışıma merkezi) olmak üzere; nadir toprak iyonları ile katkılanan stronsiyum, baryum, kalsiyum ve çinko alüminat ışıldarları güçlü ve uzun süreli ışıma, geniş band aralıkta uyarma (250 nm-500/550 nm) gibi özelliklerinden dolayı tercih edilmişlerdir. Sr1-x-yAl2O4:xEu+2, yDy+3 (x=0.003; y=0.006), Ba1-x-yAl2O4:xEu+2, yDy+3 (x=0.008; y=0.008), Ca1-x-yAl2O4:xEu+2, yNd+3 (x=0.004; y=0.004), Zn1-xAl2O4:xEu+2 (x=0.008) ve Sr4-x-yAl14O25:xEu+2, yDy+3 (x=0.005; y=0.015) kompozisyonlarında hazırlanan bu ışıldar malzemeler, katı hal tepkimesi yöntemi ile üretilmişlerdir. Bu malzemelere ait konut kristaller tek fazlı olarak indislenmiş; Eu+2 ışıma merkezli her bir konut kristalde farklı uyarma/ışıma spektrumları belirlenmiştir. Yapılan çalışmalardan alüminat ışıldarların genellikle neme ve suya karşı hassas olduğu bilinmektedir. Tez çalışmaları kapsamında üretilen her ışıldar toz için suda bekletme deneyleri yapılarak yapısal kararlılıkları ve ışıma özellikleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu kapsamda yalnızca ZnAl2O4 konut kristalli ışıldar tozlar yapısal kararlılık göstererek ve ışımalarında belirgin kayıp olmaksızın su içerisinde 30 güne kadar bozunmadan kalabilmişlerdir. BaAl2O4, CaAl2O4, SrAl2O4 ve Sr4Al14O25 konut kristalli ışıldarlar ise her biri farklı zaman aralıklarında bozunmalarını tamamlamış, ışıma karakteristikleri ile yapısal bozunma arasındaki doğru orantılı ilişkiye dikkat çekilmiştir. Suya karşı hassasiyeti belirlenen bu ışıldarlar arasından SrAl2O4:Eu+2, Dy+3 ışıldar tozlar atomik katman biriktirme (ALD) yöntemi ile kaplamak üzere seçilmiştir. Işıldar taneciklerin kaplama öncesi ve sonrası morfolojileri, yüzey yapıları, yüzey element bileşimleri, suya dayanım ve fotolüminesans spektrumları detaylı bir şekilde incelenmiştir. Deneysel sonuçlar göstermiştir ki bu taneciklerin yüzeyleri amorf Al2O3 ve amorf TiO2 nano-katmanla başarılı bir şekilde kaplanmıştır. Daha sonra kaplı taneciklere de suda bekletme deneyleri yapılmış; bu malzemelerin suya karşı dayanım kazandığı belirlenmiştir. Son olarak, yine SrAl2O4:Eu+2, Dy+3 ışıldar tozlar epoksi reçine ile ağırlıkça % 0.5, % 1 ve % 2 olacak şekilde karıştırılarak çekme testleri yapılmıştır. Bu test ile bu tür ışıldarların bilinen mekanolüminesans özelliklerini test ederek, potansiyel uygulama alanları ile ilgili önermelerde bulunmak amaçlanmıştır.

Abstract:
Aluminate-based, long-lasting phosphors (or luminescent) materials have been extensively studied and are still potentially involved in many research topics. In this thesis Eu2+ activator (or emission center) doped strontium, barium, calcium and zinc aluminate phosphors and co-doped with rare earth ions have been preferred because of their strong and long-lasting emission and wide band excitation (250 nm-500/550 nm). The photoluminescent materials prepared in Sr1-x-yAl2O4:xEu2+, yDy3+ (x=0.003; y=0.006), Ba1-x-yAl2O4:xEu2+, yDy3+ (x=0.008; y=0.008), Ca1-x-yAl2O4:xEu2+, yNd3+ (x=0.004; y=0.004), Zn1-xAl2O4:xEu2+ (x=0.008) and Sr4-x-yAl14O25:xEu2+, yDy3+ (x=0.005; y=0.015) compositions have been successfully produced by solid state reaction method. The host structures belonging to these materials are indexed as single phase; individual excitation/emission spectra were determined in each host crystal to which Eu+2 was doped. It is well-known from the studies that aluminate phosphors are generally sensitive to moisture and aqueous environment. For each phosphor powder produced within the scope of thesis studies, aqueous stability tests, structural stability and photoluminescent properties were examined in detail. In this context, only ZnAl2O4 host-based phosphor powders were able to soak in the water for up to 30 days without degradation by showing structural stability and without significant loss of emission intensities. BaAl2O4, CaAl2O4, SrAl2O4 and Sr4Al14O25 hosts-based phosphors degraded at different time intervals, and the direct proportional relationship between emission characteristics and structural degradation has been pointed out. Among these phosphors those sensitivity to the aqueous environment is determined, SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ phosphor powders were selected for coating by atomic layer deposition (ALD) method. The morphology, surface structures, surface element compositions, water resistance and photoluminescence spectra of the phosphor powders were examined in detail. Experimental results showed that strontium aluminate phosphor particle surfaces were successfully coated with both amorphous Al2O3 and amorphous TiO2 nano-layers. Then, the coated particles were also kept in aqueous medium. These phosphor powder or pellet samples were found to be resistant to water. Finally, tensile tests were performed by mixing SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ luminescent powders with epoxy resin in 0.5%, 1% and 2% by weight. The aim of this test is to test the known mechanoluminescence properties of such phosphors and to make suggestions about their potential application areas.