Nadir Toprak Elementleri (Eu, Er, Dy, Sm) ile Katkılandırılmış Stronsiyum Boralüminat Seramiklerinin Sentezi ve Lüminesans Özelliklerinin İncelenmesi

Nadir Toprak Elementleri (Eu, Er, Dy, Sm) ile Katkılandırılmış Stronsiyum Boralüminat Seramiklerinin Sentezi ve Lüminesans Özelliklerinin İncelenmesi M. AYVACIKLI, Ġ.ġABĠKOĞLU, A.EGE, N.CAN Celal Bayar Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, MANİSA Lümidoz IV 20 23 Eylül 2010

Seramik Nedir? Seramikler, biri metal olmayan en az iki elementin sıcaklık ve bazen basınç yardımıyla biçimlendiği katı bileģikler olarak tanımlanabilmektedir *. BaTiO 3 YBa 2 Cu 2 O 3 ZrB 2 TiC * Michael W Barsoum, Fundamentals of Ceramics, IOP 2003.

Başlıca Seramik Üretim Metotları Katıhal reaksiyonu Polikristal elde edilir. Yüksek sıcaklık fırını ve çoğu zaman indirgenmiģ atmosfer kullanılır. Sol-gel metodu Yüksek saflıkta tek kristal elde edilir. Kimyasal hazırlık prosedürü uzun sürer. TutuĢma (Combustion) metodu Nanokristaller oluģturmak için kullanılan bir metottur. Czochralski metodu Tek kristal oluģturmak için kullanılan bir metotdur. Özel bir fırın tasarımı vardır.

Boralüminat Seramiklerin Avantajları Boralüminat seramikler, Nadir toprak elementlerinin içerisinde çözünebilirliğinin yüksek olması, Kimyasal yapıları uzun süre bozulmadan kalabilir. Yüksek sertliğe sahiptir IĢık geçirgenliği yüksektir. Kızılötesi bölgede yüksek geçirgenliğe sahip olmaları nedeniyle optoelektronik uygulamalarda kullanılırlar. Y.Li, P.Niu, C.Tang, L. Hu, Blue-exited luminescence of Eu-doped strontium boroaluminate glasses, Journal of Luminescence 128 (2007)

Laboratuar Kurulumu Glowbox ve içindeki analitik terazi. Gaz karıģtırma sistemi, ona bağlı H 2 gazı tüpü ve solda yüksek sıcaklık tüp fırını.

Stronsiyum Boralüminat (SrBA) Seramiklerin Sentezlenmesi Sentezlenecek olan SrBA örnekler için 2SrO Al 2 O 3 B 2 O 3 %1 NTE kompozisyonu kullanılmıģtır (NTE: Eu,Er, Dy ve Sm oksitleri). Ham materyallerin tümü yüksek saflıkta olacak Ģekilde (%99,99) Ev sahibi materyal için : SrO, Al 2 O 3 ve H 3 BO 3, Katkı iyonları olarak : Eu 2 O 3, Dy 2 O 3, Sm 2 O 3 ve Er 2 O 3 hazırlanmıģtır. kullanılarak her örnek yaklaģık 2g Ham materyaller platin kroze ile yüksek sıcaklık fırınına yerleģtirilmiģ. ĠndirgenmiĢ atmosfer altında (%15H 2 %85N 2 ), 2 saat 1650 C de tutulmasının ardından 24 saatte oda sıcaklığına düģürülerek sentezlenmiģtir. Tüm örneklerde aynı iģlem uygulanarak, Katkısız SrBA, SrBA:Eu +2, SrBA:Dy +2, SrBA,Sm +3 ve SrBA:Er +2 Seramikleri sentezlenmiģtir.

Stronsiyum Boralüminat (SrBA) Seramiklerin Sentezlenmesi SrBA:Eu +2 SrBA:Er +2 SrBA:Sm +3 SrBA:Dy +2 Katkısız SrBA

Sentezlenen SrBA Örneklerde Gerçekleştirilen Ölçümler Sentezlenen SrBA seramik örneklere; X-IĢını Kırımı Örneklerin üzerinde günıģığı ve UV ile oluģabilecek etkinin ortadan kaldırılması için tavlama yapıldı. 10 Dakika Sr-90 Beta radyasyonuna bırakıldıktan sonra, 2 C/s ısıtma hızında 50-600 C arasında TL ölçümü alındı. 10 Dakika 313 nm UVB radyasyonuna maruz bırakıldı ve 2 C/s ısıtma hızında TL ölçümleri gerçekleģtirildi.

Şiddet (cps) X-Işını Kırınımı (XRD) Ölçüm Sonuçları Oda sıcaklığında Er katkılı SrBA örneğin XRD spektrumu 800 SrBA:Er SrAl2O4 700 600 500 400 300 200 100 0 20 30 40 50 2 (derece)

TL Şiddeti (birimsiz) Termolüminesans Ölçüm Sonuçları 1e+007 1e+007 9e+006 8e+006 10dk Beta Uyartımı Altında SrBA Örneklerin TL Ölçümleri SrBA Katkısız SrBA:Eu SrBA:Er SrBA:Sm SrBA:Dy 7e+006 6e+006 x10 5e+006 4e+006 3e+006 2e+006 1e+006 0 100 200 300 400 500 600 Sıcaklık ( C)

TL Şiddeti (birimsiz) Termolüminesans Ölçüm Sonuçları 4e+007 x10 10dk UVB uyartım Altında SrBA Örneklerin TL Ölçümleri SrBA Katkısız SrBA:Eu SrBA:Er SrBA:Sm SrBA:Dy 3e+007 2e+007 1e+007 0 100 200 300 400 500 600 Sıcaklık ( C)

TL Şiddeti (birimsiz) Termolüminesans Ölçüm Sonuçları Eu katkılı SrBA Termolüminesans Ölçümü 3.0E+007 10dk UVB uyartım SrBA:EU (1mol B) 10dk Beta uyartım SrBA:Katkısız 10dk Beta uyartım SrBA:Eu (1mol B) 2.5E+007 2.0E+007 1.5E+007 1.0E+007 5.0E+006 0.0E+000 100 200 300 400 500 600 Sıcaklık ( C)

TL Şiddeti (birimsiz) Termolüminesans Ölçüm Sonuçları Er katkılı SrBA Termolüminesans Ölçümü 1.1E+007 1.0E+007 5dk UVB uyartım SrBA-Katkısız 10dk UVB uyartım SrBA:Er 10dk Beta uyartım SrBA:Katkısız 10dk Beta uyartım SrBA:Er 9.0E+006 8.0E+006 7.0E+006 6.0E+006 5.0E+006 4.0E+006 3.0E+006 2.0E+006 1.0E+006 0.0E+000 100 200 300 400 500 600 Sıcaklık ( C)

TL Şiddeti (birimsiz) Termolüminesans Ölçüm Sonuçları Sm katkılı SrBA Termolüminesans Ölçümü 4.0E+006 10dk UVB uyartım SrBA:Sm 10dk Beta uyartım SrBA:Katkısız 10dk Beta uyartım SrBA:Sm 3.0E+006 2.0E+006 1.0E+006 0.0E+000 100 200 300 400 500 600 Sıcaklık ( C)

TL Şiddeti (birimsiz) Termolüminesans Ölçüm Sonuçları Dy katkılı SrBA Termolüminesans Ölçümü 4.0E+008 5dk UVB uyartım SrBA-Katkısız 10dk UVB uyartım SrBA:Dy 10dk Beta uyartım SrBA:Katkısız 10dk Beta uyartım SrBA:Dy 3.0E+008 2.0E+008 1.0E+008 0.0E+000 100 200 300 400 500 600 Sıcaklık ( C)

Termolüminesans Ölçüm Sonuçları Beta uyartımı altında, Katkılı SrBA seramiklerin pik maksimumlarının TL Ģiddetlerinin ve Pik sıcaklıklarının karģılaģtırılması 60000000 50000000 179 C 40000000 30000000 20000000 10000000 0 93 C 83 C 543 C 138 C SrBA SrBA:Er SrBA:Eu SrBA:Sm SrBA:Dy

Termolüminesans Ölçüm Sonuçları UV uyartımı altında, Katkılı SrBA seramiklerin, TL Ģiddetlerinin pik maksimumlarının ve Pik sıcaklıklarının karģılaģtırılması 350000000 104 C 300000000 250000000 200000000 150000000 100000000 50000000 0 104 C 529 C SrBA SrBA:Er SrBA:Eu SrBA:Sm SrBA:Dy

Sonuç ve Tartışma Bu çalıģmada Sentezlenen SrBA örneklerin içinde hem Beta hem de UV uyartım altında en yüksek TL parıldama Ģiddetini Dy iyonu içeren örneğin verdiği görülmektedir. Ġlerleyen çalıģmalarla, Katkı iyonlarının konsantrasyonlarının değiģtirilerek oluģturulmuģ örneklerin Lüminesans özelliklerindeki değiģimin incelenmesi, Evsahibi elementlerin konsantrasyonlarında yapılacak değiģikliğin lüminesans özelliklerine etkisinin incelenmesi, Dy iyonun yanında yeni ek katkıların eklendiği SrBA örneklerin sentezlenerek lüminesans özelliklerinin araģtırılması, TL ölçümlerinde stabilite ve doz cevabı araģtırmaları yapılması, sentezlenen örneklerin radyolüminesans ve fotolüminesans spektrumlarının incelenmesi planlanmaktadır.

Teşekkürler

Referanslar 1. J. Kuang, Y. Liu, J. Zhang, L. Huang, J. Rong, D. Yuan, Blue-emmitting long-lasting phosphor, Sr3Al10SiO20:Eu2+,Ho3+, Solid State Comminications 136(2005) 6-10, 2005. 2. J. Niittykoski, T. Aitasalo, J. Hölsä, H. Jungner, M. Lastusaari, M. Parkkinen, M. Tukia, Effect of boron substitution on the preparation and luminescence, of Eu2+ doped strontium aluminates, Journal of Alloys and Compounds 374, 108 111, 2004. 3. R. Sankar*, G.V. Subba Rao, Luminescence studies on doped borates, A MM9(BO )6 36, Journal of Alloys and Compounds 281, 126 136, 1998. 4. Y.Li, P.Niu, C.Tang, L. Hu, Blue-exited luminescence of Eu-doped strontium boroaluminate glasses, Journal of Luminescence 128 (2007) 273-276, 2007. 5. D. Jia, Charging curves and excitation spectrum of long persistent phosphor SrAl2O4:Eu2+, Dy3+, Optical Materials 22 (2003) 65-69, 2003. 6. V.Chernov, R.Meléndez, M.Pedroza,W.N.Yen, M.Barboza, The behavior of thermally and optically stimulated luminescence of SrAL2O4:Eu2+, Dy3+, Radiation Measurements 43 (2008) 241-244. 2008. 7. C.K. Chang, L.Jiang, D.L. Mao, C.L. Feng, Photoluminescence of 4SrO.7Al2O3 ceramics sintered with the aid of B2O3, Ceramics International 30 (2004) 285-290, 2004. 8. W.Jia, H.Yuan,L. Lu, H. Liu, W. M. Yen, Crystal growth an characterization of Eu2+, Dy3+:SrAl2O4 and Eu2+, Nd3+:CaAl2O4 by the LHPG method, Journal of Crystal Growth 200 (1999) 179-184, 1999. 9. L. Yuhuan, L. Rushi, New Rare-Earth Containing (Sr1-yEuy)2Al2Si10N14O4 Phospors for Light-Emmitting diyotes, Jornal of Rare Earths 25 (2007) 392-395, 2007. 10. O. Arellano, R. Melendez, M. Pedroza, B.Castaneda, V.Chernov, W.M. Yen, M. Barboza, Persistent luminescence dosimetric properties of UV-irradieted SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ phosphor, Journal of Luminescence 128 (2008) 173-184, 2008.

11. Michel W Barsoum, Fundamentals of Ceramics, IOP 2003. 12. C. A. J. Fisher, Theory, Simulation And Design Of Advanced Ceramics And Composites, Max-Planck-Institut Für Metallforschung Stuttgart. 13. P.C. Becker, N.A. Olsson, J.R. Simpson, Erbium Dopped Fiber Amplifiers, Academic Pres, 1999.

TL Şiddeti (Birimsiz) 1000 900 800 700 10 dk Beta Uyarım Altında Termolüminesans Ölçümleri (Normalize) SrBA Katkısız SrBA : Eu katkılı (%5 B) SrBA : Eu (%1 B) SrBA : Er SrBA : Sm SrBA : Dy 600 500 400 300 200 100 0 100 200 300 400 500 600 Sıcaklık (C)

10 dakika UVB radyasyonuna maruz bırakılmıģ SrBA örnek 52 74 96 118 141 163 185 207 229 250 272 295 317 339 361 383 405 427 449 471 493 516 538 560 582 1200 1000 800 SBA-Eu1 UVB SBA-Eu2 UV SBA-Er UVB2 SBA-Sm UVB SBA-Dy UVB TL ġiddeti (birimsiz) 600 400 200 0 Sıcaklık (C)

Farklı konsantrasyonda bor içeren örneklerin TL spektrumları [2]. 120 Tl Şiddeti (birimsiz) 100 80 60 40 30 dakika Sr-90 25 dakika günışığı Sentezlenen SrBA:Eu +2 örneğin farklı uyarımlar altında TL spektrumu. 20 0 100 200 300 400 Sıcaklık (C)

Kırınım Açısı 2 Derece 500 400 XRD Şiddeti (Birimsiz) 300 200 100 0 15 20 25 30 35 40 45