Synthesis And Characterization Of Strontium Aluminate Based Nanophospors

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014Thesis () -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2014Maddelerin akkor ısı kaynaklarından farklı olarak ısısı değişmeksizin ışık yayması olayına lüminesans denir. Bir başka deyişle lüminesans, temel halden uyarılmış hale geçen elektronların tekrar temel hale geçişleri esnasında foton yayınımı yapmasıdır. Uyarma kaynağının türüne bağlı olarak fotolüminesans çeşitli başlıklar altına gruplanır. Eğer lüminesans maddelerin uyarılması ışığın emilimi ile olup, bunun sonucunda görünebilir bölgede ışıma elde ediliyorsa bu durum fotolüminesans olarak adlandırılır. Uyarılmış durumların yapısına bağlı olarak organik malzemelerde fotolüminesans ikiye ayrılarak incelenir. Bunlardan birincisi floresans ve diğeri ise fosforesanstır. Floresans olayında elektronlar singlet uyarılmış seviyedir. Bu durumda elektron spini uyarılmış seviyede de korunmuştur. Uyarılmış seviyedeki ve temel durumdaki elektronlar bir çift oluştururlar ve temel seviyeye geçiş yine singlet halde gerçekleşir. Uyarılmış halden temel seviyelere geçiş çok hızlı gerçekleşir. Dolayısıyla ışık kaynağının uzaklaştırılmasının ardından floresan malzemeler ışıldamasını çok hızlı kaybeder. Fosforesans durumunda uyarılmış elektronlar spin yönlerini değiştirerek triplet uyarılmış halde bulunurlar. Triplet uyarılmış seviyeden temel seviyeye dönüşte bu elektronların spinleri tekrar değişir ve bu durum zaman gerektirir. Dolayısıyla ışık kaynağının uzaklaştırılmasının ardından fosforesan malzemeler ışıldamasını yavaş bir şekilde kaybeder. Eğer maddenin ışıldaması yeterince uzun sürüyorsa bu tür maddeler karanlıkta parıldayan maddeler olarak adlandırılır. İnorganik malzemelerde ise fosforesans ışık kaynağının kaldırılmasından sonra insan gözüyle algılanabilir şekilde uzun süreli ışıldama olayıdır. İnorganik fosforesan malzemelerde bu durum kuantum mekaniğinde yasaklanmış enerji seviyeleri arasındaki geçişler ile ilişkilendirilir. Fosforesans uygun elektronik konfigürasyona sahip elementler ile katkılandırılmış belirli matris malzemelerde görülmektedir. Etkin bir fosforesans yayınımı için (uzun süreli ışıma ve yüksek ışıma şiddeti) katkı elementleri ve matris malzemeler çok kritik öneme sahiptir. Evropiyum ve disprozyum elementleri ile katkılandırılmış stronsiyum aluminat (SrAl2O4:Eu2+, Dy3+) fosforlar uzun sureli ışıma yapan fosforlardan biri olarak bilinmektedir. Bu fosforlar yüksek ışıma şiddeti, uzun ışıma süresi, uygun ışıma rengi ve kimyasal ve termal kararlığı özelliklerinden dolayı havalimanları ve otoyollarda acil durum işaretlerinde, boyalarda, seramik ürünlerde, aksesuarlarda, LED’lerde ve plazma görüntü panellerinde kullanılmaktadır. SrAl2O4:Eu2+, Dy3+temelli fosforlarda fosforesans, Eu+2’nin 4f → 5d elektronik geçişlerinden kaynaklanmaktadır. Bu fosforlarda SrAl2O4 etkin bir matris malzeme görevi görürken evropiyum lüminesans merkezi ve disprozyum da tuzaklama merkezi olarak görev yapar. SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ fazının uzun süreli ışıma özelliği evropiyum(II)’nin 5d elektron seviyelerinin iletim bandına çok yakın olması, uyarılan elektronların iletim bandına kolayca geçip, disprozyum(III) bölgelerinde tuzaklanması ile açıklanmaktadır. Tuzaklanan bu elektronlar termal olarak yavaşça serbest kalıp, tekrar temel hallerine dönerken uzun süreli ışımaya neden olmaktadır. Yapı içerisindeki Eu+2’nin 4f elektronları, en dış kabuğun kalkan görevi görmesi dolayısıyla, yapıdaki değişikliklere karşı güçlü olmasına rağmen, 5d elektronları bu değişimlerden kolayca etkilenebilir. Dolayısıyla Eu2+farklı kristal yapılarında farklı dalga boylarında ışıma göstermektedir. Örneğin Eu2+ ve Dy3+ katkılı SrAl2O4yeşil ışık yayarken, aynı elementler ile katkılandırılmış Sr2MgSi2O7 mavi ışık yaymaktadır. Eu+2’nin 5d seviyeleri aynı kristal yapı içerisinde tane boyutu değişimi ve farklı element türlerinden de kolayca etkilenmektedir. Eu2+,Dy3+ katkılı SrAl2O4 520 mm’ye karşılık gelen yeşil ışıkta ışıma yaparken, aynı katkılar yapılmış BaAl2O4 500 mm’de ışıma yapması; SrAl2O4’ın tane boyutu mikrometre mertebelerinden nanometre seviyelerine azalırken yayınım renginin yeşilden maviye kayması bu durumlara birer örnektir. Bu çalışmada SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ fosforunun mikro ve nano boyutta geleneksel seramik, sol-gel ve solüsyon-yanma yöntemleri ile sentezlemek ve nano boyutun fosforesans karakterine etkileri araştırmak amaçlanmıştır. Ayrıca geçiş metallerinden demir (Fe), nikel (Ni), kobalt (Co) ve nadir toprak elementlerinden itriyum (Y)’un fosforesans özelliklerine etkisi de incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda, Sr0,92-XMXAl2O4:Eu0,02Dy0,06 (M: Fe, Ni, Co ve Y; X=0.005 ve 0.01) birleşiminde ağırlıkça % 2,5 borik asit katkılı numuneler sentezlenmiştir. Elde edilen bütün numuneler 1300⁰C de %5 H2-N2 indirgeyici atmosferde ısıl işleme tutulmuş ve Eu3+’ün Eu2+’ye indirgenmesi sağlanmıştır. Elde edilen numunelerin yapısal, morfolojik ve optik analizleri XRD, SEM ve spektrofotometre cihazları ile gerçekleştirilmiştir. Katı hal yöntemiyle sentezlenen fosforların ağırlıkla monoklinik SrAl2O4 fazında olduğu ve nano mertebede tane boyutlarına sahip numuneler elde edildiği anlaşılmıştır. Reaksiyon süresinin artmasıyla hem XRD piklerinin hem de spektrofotometrik analiz eğrilerinin şiddetlerinin artığı gözlemlenmiştir. Sol-jel ve yanma reaksiyonu ile üretilen numunelerin ise sadece monoklinik SrAl2O4 fazı içerdiği gözlemlenmiştir. Bu yöntemler katı hal yöntemine göre daha hızlı ve daha saf ürün verdiği deneysel sonuçlarla doğrulanmıştır. SEM mikrograflarına bakıldığında yapının yüksek derecede sinterlenmiş bir morfolojide olduğu gözlemlenmiştir. Optik analiz sonuçlarına göre bütün numuneleri 510- 515 nm dalga boyunda ışıma yaptığı ve numunelerin elektromanyetik spektrumun UV ve görünür aralığında uyarıldığı görülmüştür. Ayrıca yanma reaksiyonu numunelerinin sol-jel numunelerinden daha şiddeti ışıma yaptığı; sol-jel numunelerinin ise katı hal numunelerinden daha şiddetli ışıdığı gözlemlenmiştir. Farklı sentez yöntemleri yapı içinde farklı hata merkezleri oluşturmuş bunun sonucunda katkısız ve aynı birleşimdeki örneklerin uyarılma eğrilerinde farklı dalga boylarında pikler gözlemlenmiştir. Aynı şekilde farklı katkılarla katkılanan numunelerin uyarılma eğrilerinde de farklı dalga boylarında pikler görülmüş ve her katkının yapıda farklı bir tuzak seviyesi oluşturduğu anlaşılmıştır. Bununla birlikte her bir katkı elementi sentez metoduna bağlı olarak optik özelliklerde farklı değişime neden olmuş; genel olarak Y katkılı numuneler fosforesansı iyileştirirken diğer katkılar olumsuz etki yapmışlardır.Persisting light emission from a substance after the exciting radiation has removed is known as phosphorescence. Phosphorescence occurs when appropriate elements with suitable electronic configuration are doped into certain host materials. Both the dopant ions and the host material have critical importance to achieve efficient phosphorescence emission (long after glow time and high intensity). Strontium aluminate co-doped europium and dysprosium (SrAl2O4:Eu2+, Dy3+) is one of the known green light emitting persistent phosphorescent materials. SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ phosphors have been used in several application areas such as emergency signs used in airports and highways, paints, ceramic products, accessorizes, LEDs and plasma display panels due to their high initial luminescent intensity, long lasting time, suitable emitting color and good chemical and thermal stability. This long afterglow effect has been ascribed to the recombination of the trapped SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ electrons at europium(II) sites and the thermally released holes trapped at dysprosium(III) sites. The present study aims to synthesize SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ phosphor with solid state, sol-gel and solution-combustion methods and investigate the effects of nano size on the phosphorescence characteristics. Therefore, we also investigate the effect of co-doping with Fe, Ni, Co and Y on the phosphorescence properties. In experimental study, different samples were prepared according to formula Sr0,92-XMXAl2O4:Eu0,02Dy0,06 (M: Fe, Ni, Co and Y) where x is 0.005 and 0.01 in molar ratio with addition % wt 2.5 boric acid as a flux material. All samples synthesized with solid state and both of sol-gel and sol-combustion methods were sintered at 1300C in %5 H2-N2 reductive atmosphere to reduce Eu3+ to Eu2+ whose emission is correspond to 515 nm wavelength due to 4f-5d electronic transitions. XRD, SEM and spectrophotometer were used to investigate the structural, morphological and optical analysis, respectively. It is observed that the monoclinic SrAl2O4 is the main phase in the XRD patterns of all samples. According to SEM micrographs, all samples have highly sintered microstructure. Emission at about 510 nm and excitation by wide wavelength range (generally 300-450 nm) was observed from UV-Visible Spectrophotometric analysis.Yüksek Lisan