Production and characterization of CdSe based binary/binary and ternary/binary heterostructure multi shell quantum dots
CdSe tabanlı ikili/ikili ve üçlü/ikili heteroyapı çok tabakalı kuantum noktalarının üretimi ve karakterizasyonu
- Tez No: 485235
- Danışmanlar: PROF. DR. HİLMİ ÜNLÜ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Çapları 2-10 nm arasında değişen koloidal yarı iletken NC'ler (kuantum noktalar (QD'ler) olarak da bilinir), fiziksel ve kimyasal ozellikleri sayesinde, son yillarda hem güneş hücreleri, ışık yayan diyotlar, lazerler, floresan görüntüleme gibi temel çalışmalarda, hem de optik ve elektronik uygulamalarda büyük bir ilgi görmektedir. QD'ler, uygulama ilgi alanlarına göre çekirdek (çıplak) ve çekirdek / kabuk formlarında sentezlenebilir ve periyodik Tabloda III-V ve II-VI grup yarı iletken ailesinden meydana gelir. Optik, fiziksel ve kimyasal özellikleri çekirdek üzerinde kabuk birikimi ile değiştirilebilir. Sunulan kabuk malzemesinin bileşimi ya da çok katmanlı ara katman yapısı, yarıiletkenlerin karakteristiklerinde değişikliklere neden olur. Doğada herşey kararlı olduğu haline dönmeye çalışır. Bu uyarılmış elektron için kararlı olduğu değerlilik bandında yerine dönmektir. Uyarılmış elektronun değerlilik bandındaki yeri boş kaldığı için burası boşluk olarak tasvir edilir ve uyarılmış elektron, değerlilik bandına dönerken sahip olduğu enerjiyi harcaması gereklidir. Bu enerji çıkışı ışınım seklinde gerçekleşir ve elektron ne kadar enerjiye sahipse (yani bant boşluğu ne kadar büyükse) yaydığı enerjide o kadar fazladır. Yani elektron değerlilik bandına dönerken ışık saçar ki nesnelerin renklerini de bu sayede görürüz. Her malzemenin absorbladığı (emdiği) farklı bir enerji frekansı ve yaydığı (emission) enerji frekansı aralığı vardır, bu da farklı renkler yaymalarının sebebidir. Ama bu daha detaylı uzun bir konu, şimdi konumuza dönecek olursak; bulk yarı-iletken malzemeler yukarıda bahsettiğimiz gibi iletkenlik gösterirler Nanoyapı malzemeler, (örneğin elektronik, optoelektronik ve biyolojik) kütle ve moleküler seviyeler arasındaki boşluğun doldurması ve uygulamalar için ilgi çekmeye başlamışlardır. Bir parçacık, <100 nm boyutundayken optik ve elektronik özellikler bakımından farklı bir davraniş sergiler, nanoyapı olarak adlandırılır ve şu şekilde kategorize edilir: (1) iki boyutlu, örneğin ince filimler veya kuantum kuyuları, (2) birboyutlu, örneğin kuantum teli (3) sıfır-boyutlu, örneğin kuantum noktaları. Kuantum noktalar çekirdek veya çekirdek/kabuk biçiminde sentezlenebilir ve genellikle periyodik tablodaki III-V ve II-VI ailesinden veya yarı iletkenlerden üretilirler. Kuantum noktalarının küçük boyutu, kuantum sınırlandırıcı etkisine sebep olur. Bu etki, band aralığının genişlenmesı ve enerji seviyelerinin ayrılması demektir. Bu etki şarj taşıyıcıları arasındaki coulomb etkileşiminin bir yükselişi ile birlikte verilir. Bir foton emilimiyle bir elektron-delik çifti oluşturulduktan sonra, elektrondelik çiftleri,“exciton”olarak adlandırılan yarı parçacığı oluşturan karşı yükler vasıtasıyla birbirleriyle etkileşime girer. Bir eksitonun toplam enerjisi, kuantum sistemleri tarafından yayılan ışığın rengiyle (dalga boyu) tanımlanır: Eğer bu eksitonlar çekirdeğin içinde sınırlanmış durumdaysarlar, bunlar Tür-I olarak adlandırılır. CdSe tabanlı çekirdek/kabuk QD'larını, deneysel ve pıratik açıdan çekici hale getiren, yeni özellikler keşf edilmektedir. Eksitonlardan biri çekirdeğin içinde ve diğeri kabuğun etrafında ayrı hareket etmeleri halinde Tür-II yarı iletkenleri olarak adlandırılırlar. Bir yük taşıyıcı maddenin çekirdeğe lokalize edildiği ve diğeri yapının her tarafında delokalize olduğu durumda, tip-I1/2 veya yarı tip-II olarak adlanır. ZnSe tabanlı çekirdek/kabuk QD'larını, deneysel ve pıratik açıdan çekici hale getiren, yeni özellikler keşf edilmektedir. Yarı-iletken kuantum noktaları, özellikle çekirdek/kabuk nano kıristaller, gerilimli malzemeler sınıfında yer almaktalar ve yeni özelliklere sahipler. Çekirdek/kabuk kuantum noktalarında, çekirdek ve kabuk arasındaki örgü uyuşmazlığı yapısal, elektronik ve optik özellikleri etkiliye bilir. CdSe yarı iletkeni, farklı parçacık boyutlu optik spektrumun görülebilir aralığında parlak lüminesansı nedeniyle birçok çalışmanın konusudur. Bu tezde, araştırmaların çoğunda olduğu gibi, CdSe tabanlı QD'lerin optik, fiziksel ve yapısal özellikleri de değerlendirilmiştir. CdSe çıplak çekirdeği, CdSe / Cd (Zn) S çekirdek / kabuk, CdSe / Cdl-xZnxS çekirdek / üçlü kabuk ve CdSe / Cd (Zn) S / Zn (Cd) S çekirdek-çoklu gövde NC'lerin sentezi, düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilmiştir. Daha sonra üretilen heteroyapılar UV-Vis spektrofotometresi, PL, HRTEM, XRD analizi kullanılarak optik ve yapısal olarak karakterize edilmiştir. Öte yandan, kabuk kaplanması sonrasında kapaklı çekirdek çapı değişimlerini hesaplamak için, ara yüzey gerilim miktarı teorik olarak elde edilmiştir. Ara yüzey gerilimi XRD analizindede etkisini göstermiştir. Ara yüzey gerilim etkisi, Bragg 2 kırınım derecesinin XRD analizinde kaymasına neden olmaktadır. Gözlemlediğimiz sonüç bu ki, CdSe çekırdeğı, sıkıştırıcı kabuk ile kaplandıktan sonra, Bragg 2 pik açısı, saga döğrü kayarak, büyük derecede meydana geldi. Absorpsiyon (emme) ve fotolüminesans spektrumlarında farklı içerikli kabuğuyla CdSe çekirdeğinin başka etkileride gözlemlenmiştir. Emilim ve fotolüminesans en yüksek değerinin kırmızı dalga boyuna kayması, kabuk kaplanma sonrasında UV-vis ve PL spektrumunda kayıt edildi. Kuantum noktalarda boyut kontrol edilebilir bir değişken olduğu içinde noktamızın boyutunu değiştirerek rengini de kontrol edebilme kabiliyetine sahip oluyoruz ki bu mühendislik uygulamaları için inanılması zor bir alan daha açıyor; daha verimli çalışan güneş panelleri, tıpta teşhis için kullanılan biyo-ajanlar, çok daha az enerjiyle çalışan lazerler, istenilen renkte LED aydınlatmalar, az enerjiyle çalışan ve daha fazla aydınlatan ampuller, çok daha az enerjiyle çalışan plazma televizyon ve ekranlar, bunlar kuantum noktaların düşünülen uygulama alanlarından sadece birkaçı. CdSe NC'lerin çapına bağlı olarak, kırmızı kayma miktarında absorpsiyon spektrumunda farklılık gösterir. Bu tezde, absorpsiyon spektrumundaki eksiton enerjisini kullanarak, çekirdek boyutu hesaplanmiştir. Elde edilen eksiton enerjiyle, kapaklı çekirdek çapını hesaplamak için geleneksel Brus denklemi kullanılmıştır. İlk kez hesaplanmış olan, kompresiv kabuk kaplandıktan sonra kapaklı çekirdek boyut değişikliklerini gözlemlemek için, Brus denkleminde ara yüzey gerilm miktarını dikkate alınarak hesaplamalar yeniden yapılmıştır. Ara yüzey gerilim miktarı, xxiii sureklilik elastisite teorisinden hesaplandı ve kaplanma işlemi sonrasında çekirdek sıkışması veya gerilmesi gözlenerek kaplanmış kabuğun çapı hesaplanmıştır. Çekirdek ve kabuk arasındaki örgü uyumşuzluğundan kaynaklanan ara yüzey gerilimi, kontinyum elastisite teorisinden hesaplanmıştır ve kaplanmış çekirdek çapı etkin kütle yaklaşımı yontemiyle uygulanmıştır. TEMden alınan çıplak çekirdeğin çapı, hesaplanmış olan gerilmli kabukla kaplanmış çekirdek iyle karşilaştırılmıştır. Kaplanmış çekirdeğin gerilim ve ya sıkılım miktarı, çekirdek/kabuk yapısındaki örgü uyuşmazlığı miktarı ile orantılı olarak bulunmuştur. Teorik olarak elde edilen kaplanmış çekirdek boyutu teorik yöntemimizin doğruluğunu değerlendirebilmek için TEM görüntüleri alınarak CdSe çıplak çekirdek boyutu ile karşılaştırılmıştır. Deneysel ve teorik sonuclar arasindaki uyum, yontemimizin doğru olduğunu kanıtlamıştır.
Özet (Çeviri)
Colloidal semiconductor NCs (also known as quantum dots (QDs)) with their diameters range between 2-10 nm have gained a huge interest for both optical and electronical applications such as solar cells, light emitting diodes, lasers, fluorescence imaging and for fundamental studies over the last few decades due to their sizedependent optical, physical and chemical properties. QDs can be synthesized in core (bare) and core/shell forms in accordance to their application interest and are made from III-V and II-VI group semiconductors family in the periodic Table. Their optical, physical and chemical properties can be altered with deposition of shell on core. The introduced shell material's composition or spacer layer in multishell cause changes in charactristics of semiconductors. CdSe semiconductor is a subject of many studies due to their bright luminescence in the visible range of optical spectrum with different particle size. In this thesis, like most of investigations, the optical, physical and structural properties of CdSe based QDs is evaluated. The synthesis of CdSe bare core, CdSe/Cd(Zn)S core/shell, CdSe/Cd1-xZnxS core/ternary shell and CdSe/Cd(Zn)S/Zn(Cd)S core-multishell NCs are done at relatively low temperature. Then, the produced hetero structures are optically and structural characterized using UV-Vis, PL, HRTEM, XRD analysis. On the other hand, interfacial strain amount was obtained theoretically in order to calculate the capped core diameter changes after shell deposition. Interfacial strain effect cause the Bragg's 2Ɵ diffraction degree to slide in XRD analysis. In this phenomenon, this shift noticed toward higher degrees after capping the core with compressive shell while introducing lower compressive shell led in less shift in Bragg's 2Ɵ degrees. Another effect of capping CdSe core with shell of different composition observed in absorption and photoluminescence spectra. The red shift of absorption and photoluminescence peak is recorded in UV-vis and PL spectrum after shell deposition. Depending on the diameter of CdSe NCs, the red shift amount differs in absorption spectra. Using the exciton energy from absorption spectrum, the capped core size of the core was calculated. The conventional Brus equation used to calculate capped core diameter with the obtained exciton energy. For the first time, we substituted interfacial strain amount in Brus equation to observe capped core size changes after deposition of compressive shell. Interfacial strain amount is calculated from continuum elastic theory and core squeeze or stretch was observed after capping process. Result of the obtained theoretically capped core size were compared with the bare CdSe core size from TEM image to evaluate the accuracy of our proposed theoretic method. Logic and good overlap of the theoretical and experimental results showed the accuracy of the proposed theoric method.
Benzer Tezler
- Synthesis & characterization of CdSe/ZnS quantum dots
CdSe/ZnS kuantum noktalarının sentezi ve karakterizasyonu
HAKAN AYDIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ ÜNLÜ
- Fotokatalitik hidrojen üretiminde alaşım nanokristallerin aktivitesinin araştırılması
The investigation of alloyed nanocrystals in photocatalytic hydrogen production
OSMAN OKAN BİRİNCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Kimya MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiKimya Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. MAHMUT KUŞ
- Çimentonun sertleşmesi üzerinde kimyasal komponentlerin etkisi
Başlık çevirisi yok
NACİYE TÜRKEL
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Kimya MühendisliğiUludağ ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA CEBE
- Bazı esterlerin kinetik incelenmesi ve termodinamik parametrelerin belirlenmesi
Kinetic study and detesmination of thermodnamic parameters of some esters
İBRAHİM TAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Kimya MühendisliğiUludağ ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA CEBE