Stronsiyum magnezyum silikat esaslı fosforesans malzemelerde nadir toprak elementlerinin fosforesan özellikleri etkileri

Uyarıldıktan sonra ışık yaymaya devam eden fosforlar, kadranlarda, ışıldayan boyalarda, trafik işaretlerinde, acil durum sinyallerinde, tekstil ve aksesuar malzemelerinde, LED (Light Emitting Diode) ve plazma görüntü panellerinde oldukça geniş kullanım alanlarına sahiptir. Geleneksel bir fosfor olan ZnS' nin ışıldama şiddeti ve süresi bu uygulamalar için yetersizdir. Nadir toprak elementleri kullanılarak alüminatlar üzerinde yapılan çalışmalar Sr2AlO4:Eu2+, Dy3+ üzerinde yoğunlaşmış ve lüminesans özelliklerinin iyileştirildiği görülmüştür. Fakat, neme maruz kaldıklarında bozulmaları kullanımlarını kısıtlamıştır. Lüminesans özelliklerinin alüminatlar ile karşılaştırılabilir ölçüde olması ve neme maruz kaldığında bozulmamaları gibi sebepler Sr2MgSi2O7:Eu2+, Dy3+ fosforunu ön plana çıkarmıştır. Sr2MgSi2O7:Eu2+, Dy3+ fazının fosforesans karakteri, ışınım merkezleri ve tuzaklama mekanizmalarıyla ilişkilidir. Eu2+ iyonları emisyon merkezi olarak görev yaparken, Dy3+ iyonları boşluk tuzaklama merkezi olarak sistemde çalışmaktadır. Sr2MgSi2O7 tetragonal yapısındaki Sr2+ iyonu boşluklarına Eu2+ ve Dy3+ iyonları yerleşmektedir. Bu çalışmanın amacı, birinci aşamada katı hal reaksiyonu metodu ile üretilmiş olan Sr2MgSi2O7:Eu2+, Re3+ fosforu üzerinde La-Lu aralığında yer alan nadir toprak elementlerinin, fosforesans karakterini, kristal yapı, ışıma şiddeti ve ışıma ömrü açısından nasıl etkilediğinin incelenmesidir. İkinci aşamada ise ışıma performansı diğerlerinden daha iyi olan örnekler üzerinde borik asit etkisini, kristal yapı ve optik özellikler üzerinden gözlemlemektir. Deneysel çalışmanın birinci aşamasında Sr1,92MgSi2O7:Eu0,022+, Re0,063+ (%8 H3BO3) formülü gereğince sistematik olarak La, Ce, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb ve Lu lantanitlerini içeren numuneler hazırlanmıştır. Yüksek saflıkta karbonat ve oksitler, etanol ortamında değirmen tipi öğütücüde 300 rpm'de 2 saat öğütülmüş ve daha sonra 115 °C' de 12 saat bekletilerek etanolün ortamdan uzaklaştırılması sağlanmıştır. Preslenen numuneler 10 °C/dk ısıtma hızıyla 1300 °C sıcaklığa çıkılarak redüktif atmosferde (%5 H2, %95 N2) ısıl işleme sokulmuş ve azot atmosferinde soğumaya bırakılmıştır. İkinci aşamasında ise sadece evropyum ve evropyuma ek olarak disprosiyum kullanılan numuneler için %0 ve %16 borik asit ihtiva eden kompozisyonlar hazırlanılmış ve aynı katı hal reaksiyonu ile üretim yapılmıştır. Elde edilen bütün numunelere XRD (X-Ray Diffraction) ve spektrofotometre teknikleri kullanılarak; faz ve optik analiz işlemleri yapılmıştır. Yapılan bu çalışmadan elde edilen XRD sonuçları değerlendirildiğinde, %2 ve %6 oranında sisteme dahil edilen katkıların ("Dopant" ların) kristal yapıyı bozmadığı, tek fazlı tetragonal Sr2MgSi2O7 elde edilerek hedeflenen yapıya ulaşıldığını göstermektedir. Spektrofotometre ile gözlemlenen uyarılma ve ışıma davranışlarına göre, genel olarak 470 nm civarında görülen ışıma ("Afterglow") piki 4f65d1→4f7 geçişine atfedilmektedir. Bütün örnekler eşit şartlarda uyarıldığı ve gözlemlendiğinde, her birinin farklı ışıma şiddetleri ile cevap vermesi nadir toprak elementlerinin yarattığı tuzakların derinliklerinin farklı olması ile ilişkilidir. Tuzak yoğunluğu ise fosforesans malzemelerin ışıma süresinin kısa olması yada uzaması üzerinde doğrudan etkilidir. Tuzak yoğunluğunun artması bozunma zamanının ("Decay time"ın) uzamasına sebep olmaktadır. %0, %8, %16 borik asit içeriğine sahip örneklerde benzer karakterizasyon deneyleri yapıldığında ise, %8' den daha az flaks kullanıldığında fosfor karakterinin zayıf olduğu, artması ile ışıma şiddetinin arttığı, %16 oranında kullanılması durumunda ise tane boyutunun büyümesini hızlandırmak dışında yapı içerisinde bulunan bileşiklerle reaksiyona girdiği ve bu sebeple beklenenin dışında ikincil fazların meydana geldiği görülmüştür.