CdSe kuantum noktası üretimi için spiral soğutucu tabanlı yeni bir sentez düzeneğinin geliştirilmesi ve sıcak enjeksiyon yöntemiyle karşılaştırılması
Development of a novel setup based on reflux condenser for CdSe quantum dot production and comparison with hot injection method
- Tez No: 1003250
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT ÖZEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Kolloidal kuantum noktaları (QD)), Colloidal quantum dots (QD)
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Bursa Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yarı iletken nanokristaller, boyutlarına bağlı olarak ayarlanabilen üstün optik ve elektronik özellikleri sayesinde, güneş pilleri, ışık yayan diyotlar (LED), biyomedikal görüntüleme ve sensör teknolojileri gibi geniş bir yelpazede kritik kullanım alanlarına sahiptir. Bu malzemeler arasında özellikle Kadmiyum Selenür (CdSe) kuantum noktaları, görünür bölgedeki güçlü fotolüminesans özellikleri ile öne çıkmaktadır. Literatürde bu nanokristallerin sentezi için altın standart olarak kabul edilen“Sıcak Enjeksiyon”(Hot Injection) yöntemi, yüksek kristal kalitesi ve dar boyut dağılımı sağlasa da, kesikli (batch) bir süreç olması nedeniyle endüstriyel ölçekte üretim kısıtlılıkları yaratmaktadır. Öte yandan mevcut sürekli akış reaktör sistemleri genellikle karmaşık mikroakışkan çipler veya yüksek maliyetli donanımlar gerektirmektedir. Bu tez çalışmasında, CdSe kuantum noktalarının sürekli, tekrarlanabilir ve yüksek verimli üretimi için literatürde bildiğimiz kadarıyla ilk kez önerilen, standart bir laboratuvar geri soğutucusunun (reflux condenser) reaktör gövdesi olarak kullanıldığı, maliyet etkin ve pratik bir sürekli akış sentez düzeneği tasarlanmış ve geliştirilmiştir. Çalışma kapsamında, geliştirilen dolgulu yataklı akış reaktörü sistemi ile geleneksel sıcak enjeksiyon yöntemi, ürün kalitesi, büyüme kinetiği ve kristal yapısı açısından karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Sentezlenen nanokristallerin yapısal, morfolojik ve optik özellikleri; Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Dağılımlı X-Işını Spektroskopisi (EDS), UV-Görünür Bölge Absorpsiyon Spektroskopisi ve Fotolüminesans (PL) teknikleri kullanılarak detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Elde edilen bulgular, sıcak enjeksiyon yönteminin LaMer modeline uygun olarak, ani çekirdeklenme sonrası“boyut odaklanması”(size focusing) mekanizmasıyla monodispers (tek boyutlu) partiküller ürettiğini doğrulamıştır. Buna karşılık, geliştirilen akış reaktöründe kullanılan cam boncuk dolgu malzemesinin, akışkanlar dinamiğini etkileyerek“kanal oluşumu”(channeling) etkisine yol açtığı ve bunun sonucunda reaktör içi kalma sürelerinde sapmalar meydana geldiği tespit edilmiştir. Bu durum, reaktör ürünlerinde daha geniş bir boyut dağılımına ve spektral analizlerde bimodal (çift tepeli) bir yapıya neden olmuştur. Kimyasal analizler (EDS), her iki yöntemin de Se:Cd molar oranı bakımından ~1 civarında stokiyometrik tutarlılık sergilediğini göstermiştir. Ancak reaktör ürünlerinde, akış türbülansı ve artan yüzey-hacim etkileşimleri nedeniyle fosfor ve oksijen oranlarının belirgin şekilde daha yüksek olduğu saptanmıştır. Bu kirliliğin, reaktör çıkışındaki toplama aşamasında gerçekleşen yüzeysel oksidasyon ve fosfin bazlı ligandların aglomere yapılara hapsolmasından kaynaklandığı değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, tasarlanan geri soğutucu tabanlı sistemin, pahalı ve karmaşık cihazlara gerek duymadan, yapılan analizler sonucunda optik kalitesi kabul edilebilir düzeyde CdSe kuantum noktalarının üretimi için uygulanabilir, ekonomik ve ölçeklendirilebilir yenilikçi bir alternatif olduğu ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
Semiconductor nanocrystals possess critical applications in a wide range of fields such as solar cells, light-emitting diodes (LEDs), biomedical imaging, and sensor technologies, thanks to their superior optical and electronic properties that can be tuned according to their size. Among these materials, cadmium selenide (CdSe) quantum dots stand out with their strong photoluminescence properties in the visible region. Although the“hot injection”method, considered the gold standard in the literature for the synthesis of these nanocrystals, provides high crystal quality and narrow size distribution, it creates limitations in industrial-scale production due to being a batch process. On the other hand, existing continuous flow reactor systems generally require complex microfluidic chips or high-cost equipment. In this thesis, a cost-effective and practical continuous flow synthesis setup, in which a standard laboratory reflux condenser is used as the reactor body, has been designed and developed for the first time in the literature for the continuous, reproducible, and high-efficiency production of CdSe quantum dots. Within the scope of the study, the developed packed-bed flow reactor system and the traditional hot injection method were comparatively investigated in terms of product quality, growth kinetics, and crystal structure. The structural, morphological, and optical properties of the synthesized nanocrystals were analyzed in detail using Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS), UV-Visible Absorption Spectroscopy, and Photoluminescence (PL) techniques. The findings confirmed that the hot injection method produced monodisperse (single-sized) particles through the“size focusing”mechanism following rapid nucleation, which is consistent with the LaMer model. In contrast, it was determined that the glass bead packing material used in the developed flow reactor affected fluid dynamics, leading to a“channeling”effect, which resulted in deviations in residence times within the reactor. This situation caused a broader size distribution in reactor products and a bimodal (double-peaked) structure in spectral analyses. Chemical analyses (EDS) showed that both methods exhibited stoichiometric consistency around ~1 in terms of Se:Cd molar ratio. However, it was determined that phosphorus and oxygen ratios were significantly higher in reactor products due to flow turbulence and increased surface-volume interactions. This impurity was evaluated to originate from surface oxidation occurring during the collection stage at the reactor outlet and the entrapment of phosphine-based ligands in agglomerated structures. In conclusion, it has been demonstrated that the designed reflux condenser-based system is a viable, economical, and scalable innovative alternative for the production of CdSe quantum dots with acceptable optical quality without the need for expensive and complex equipment.
Benzer Tezler
- Computer based modelling and simulation of electronic and optical properties of CdSe and ZnSe based heterostructure quantum dots
CdSe ve ZnSe tabanlı heteroyapılı kuantum noktaların elektronik ve optik özelliklerinin bilgisayar tabanlı modellenmesi ve benzetimi
DERYA MALKOÇ
Doktora
İngilizce
2025
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ ÜNLÜ
- Dalgaboyu öteleyicisi kuantum noktaları kullanılarak si güneş pillerinin veriminin arttırılması üzerine bir çalışma
A study of enhancing si solar cell efficiency by using qdws (quantum dot wavelength shifter)
MESUT BALABAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. M. ÇETİN ARIKAN
- Küresel kuantum noktalarında safsızlık problemi
The impurity problem on the spherical quantum dots
SAİT YILMAZ
Doktora
Türkçe
2004
Fizik ve Fizik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. HALUK ŞAFAK
- Synthesis of boron based quantumd dots and their biomedical applications
Bor bazlı kuantum noktalarının sentezi ve onların biyomedikal uygulamaları
ESRANUR BUDAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CANER ÜNLÜ
- Yarıiletken nanokristal yapılar içeren cam malzemelerin kırılma indislerinin interferometrik yöntemlerle belirlenmesi
Determination of refractive indices of glass materials containing semiconductor nanocrystal structures via interferometric methods
EKREM SINIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. HİKMET YÜKSELİCİ
PROF.DR. RABİA İNCE