Synthesis of Ce(III) and Eu(III) doped YAG (Y3Al5O12) and ZnO ceramics

Abstract

Bu tez iki kısımdan oluşmaktadır. İlk kısımda Yttrium aluminyum garnet (YAG) saydam seramikleri ikinci kısamda ise seryum katkılı ZnO ve Zn(OH)2 katmanlı malzemeler incelenmiştir.Yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12) üstün optik özelliklere yüksek kimyasal dayanıma sahiptir. Lantanit serisi iyonlarıyla katkılandığında YAG, katı hal lazerleri ve fosfor uygulamaları için üstün bir malzemedir. Günümüzde katı hal lazerlerinde, lazer kaynağı olarak cam ya da Czochralski yöntemiyle tek kristalden büyütülmüş kaynaklar kullanılmaktadır. Tek kristalden büyütme yöntemi cam lazer kaynaklarına göre bir takım avantajlar içerse de, bu yöntem pahalı ve uzun zaman gerektirmektedir. Çok kristalli YAG seramikleri tek kristalden büyütülmüş lazer kaynaklarına birer alternatiftirler ve katı hal lazer kaynakları için önemli birer adaydırlar. Ancak literatürde ilk defa lazer kaynağı olarak kullanımlarının bildirilmesinin üzerinden yirmi yıl geçmesine rağmen, günümüzde çok kristalli seramik lazer uygulamaları sınırlı kalmaktadır.Yakın geçmişte ZnO malzemeler geniş bant aralıkları ve yüksek uyarım binding enerjileri nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Ayrıca bu malzemelerin elektronik ve optik özellikleri morfolojiyi değiştirmek suretiyle değiştirilebilmektedir. Literatürde bahsedilen birçok morfoloji vardır. Bunlardan bazıları nano teller, tüpler, çubuklar, tabakalar, yıldızlar ve kemerlerdir. Bir diğer morfoloji olan katmanlı yapı anyonik surfactant kullanılarak oluşturulmaktadır. Katmanlı ZnO malzemeler doğal olarak da bulunan brucite (Mg(OH)2) yapısındadır.Bu çalışmanın ilk kısmında (Chapter I ve II), Ce3+ ve Eu3+ katkılı çok kristalli YAG örnekleri farklı toz sentezleme yöntemleri kullanılarak hazırlanmış ve bu yöntemlerin toz karakteristikleri üzerine olan etkileri araştırılmıştır. 1, 5 ve 10% katkılı örnekler hidrotermal, sitrat, katı hal ve çöktürme yöntemleriyle sentezlenmiştir. Çöktürme yöntemi hem normal-strike hem de reverse-strike yolları izlenilerek denenmiştir. TGA/DTA analizleri sitrat ve çöktürme yöntemleriyle hazırlanan örneklerin 900˚C'de kristallenmeye başladıklarını göstermiştir. Bu sebeple örnekler 900˚C ila 1300˚C arasında kalsine edildiler. XRD sonuçlarından, reverse-strike ve sitrat yöntemleriyle 900˚C'de saf YAG fazı elde edilebildiği görülmüş ancak aynı sonuçlar diğer yöntemlerle 900˚C'de tekrarlanamamıştır. YAM ve YAPviara fazları sitrat ve reverse-strike yöntemlerinde gözlemlenmemiştir. Ayrıca birden çok adımda kalsinasyon işleminin etkileri araştırılmıştır. YAG prekürsörleri 900˚C ve 1200˚C de bir, iki ve üç kere kalsine edilmiştir. Örneklerin FESEM fotoğrafları alınmış ve sıcaklık kristallenme eşik değerinin üzerinde olmak şartıyla, kalsinasyon sıcaklığının amorf örneklerin tane büyümeleri üzerine çok fazla etki etmediği görülmüştür. Ancak ön kalsinasyon işlemiyle kristallenmiş örneklerin taneleri ikinci bir kalsinasyonla kayda değer bir büyüme göstermiştir. 0.28% SiO2 katkılı saf YAG tozları alçı kalıba döküm yöntemiyle şekillendirilmiştir. 1750˚C'de ve 10-5 Torr vakum altunda 8 saat sinterlenme işleminin ardından görünür bölgede 50% saydamlığa ulaşılmıştır.İkinci kısımda (Chapter III), arasına SDS sokulmuş Zn(OH)2 katmanlı malzemeler hidrotermal yöntem kullanılarak 90˚C'de sentezlenmiştir. 0.002 mol Zn(NO3)3 başlangıç malzemesi için 0.002 mol ile 0.012 mol arasında farklı HMT oranları denenmiştir. SDS'siz örnekler ayrıca hazırlanarak surfactantın etkisi incelenmiştir. Örneklere 1, 5 ve 10% oranlarında Ce3+ iyonu eklenmiştir. FESEM sonuçları örneklerin SDS'le birlikte sentezlendiklerinde nano tabaka yapısında olduklarını göstermiştir. Reaksiyon süresi arttığı durumlarda tabakalar kıvrılarak koni yapısına geçmiş ve morfoloji değişmiştir. SDS içermeyen örnekler ise literatürde de bahsedilen hegzagonal çubuk yapısı oluşturmuşlardır. XRD sonuçları, örnekler SDS kullanılmadan 90˚C'de sentezlendiğinde ZnO ürünü elde edildiğini ancak SDS kullanılmadığında bu sonucun mümkün olmadığını göstermiştir. SDS kullanılan örnekler ise bu sıcaklıkta Zn(OH)2 katmanlı yapıda bulunmaktadırlar. Ayrıca HMT miktarının partikül büyümesini arttırdığı görülmüştür.

This thesis consists of two parts. The first part of the thesis is dedicated to synthesis of Yttrium aluminum garnet (YAG) transparent ceramics and the second part is dedicated to the Cerium doped ZnO and Zn(OH)2 layered nanocomposites.Yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12) has very good optical properties and chemical stability. When doped with rare earth ions, YAG is an excellent material for solid-state laser and phosphorus applications. In conventional solid-state laser applications glass or Czochralski grown single crystals are used as the gain medium. Though Czochralski grown single crystals are better than the glasses in terms of optical properties, the process of single crystal growth is time consuming and expensive. Polycrystalline YAG ceramics are alternatives to the single crystal grown materials and promising candidates for solid-state laser hosts. However, even twenty years after they were first reported as an efficient laser host, polycrystalline YAG ceramics are limited in laser applications.In recent years, ZnO materials have been in the center of interest because of their large band gap and large value of exciton binding energy. More importantly optical and electronic properties of ZnO materials can be changed by changing the morphology. Many different morphologies are well known for ZnO including, wires, tubes, rods, flowers, sheets, stars, belts. One such morphology is layered structure which forms with the aid of anionic surfactants. Layered metal hydroxides have structure based on naturally occurring material brucite (Mg(OH)2).In the first part of the thesis (Chapter I and II), various synthesis methods were used to produce Ce3+ and Eu3+ doped polycrystalline YAG samples to investigate their effect on powder characteristics. 1, 5 and 10% doped samples were prepared by hydrothermal, citrate, solid-state and co-precipitation methods. Both normal-strike and reverse-strike routes of co-precipitation method were conducted. TGA/DTA analysis showed that the samples were crystallized after 900˚C. Therefore, produced samples were calcined at different temperatures ranging from 900˚C to 1300˚C. XRD patterns of the samples showed that pure YAG phase was able to be achieved via reverse-strike route and citrate method at 900˚C while it was not possible with other methods at 900˚C. Intermediate phases YAM andivYAP were not observed in reverse-strike or citrate methods. Also the effects of single and multiple step calcinations were investigated. YAG precursors were calcined at 900˚C and 1200˚C for several times. FESEM images showed that calcination temperature had little effect on grain growth on amorphous samples as long as the temperature is higher than the crystallization threshold. However, temperature increase enhanced the grain growth when samples were crystallized by a pre-calcination step. Pure YAG powders were doped with 0.28 wt% SiO2 and slip casted for shaping. After 8h of sintering at 1750˚C under 10-5 Torr vacuum, 50% transparency in the visible region was achieved.In the second part of the thesis (CHAPTER III), SDS intercalated Zn(OH)2 layered materials synthesized by hydrothermal method using HMT at 90˚C. Different HMT amounts were tried ranging between 0.002 mol and 0.012 mol per 0.002 mol starting salt, Zn(NO3)3. Samples without SDS were also produced to investigate the effects of the surfactant. The samples contained 1, 5 and 10% Ce3+ ion. FESEM results showed that samples were formed into nanosheet morphology with the addition of SDS. With the increasing reaction time sheets rolled up into a conic morphology. Samples contained no SDS yielded hexagonal rod-like morphology which is well documented in the literature. XRD results showed that samples can be crystallized into ZnO at 90˚C without the addition of SDS. However, this was not possible with the samples with SDS as all intercalated samples were in hydroxide form. With the increasing HMT amount the samples showed a significant particle growth.