CdSe tabanlı ikili/ikili ve üçlü/ikili heteroyapı çok tabakalı kuantum noktalarının üretimi ve karakterizasyonu

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.