Spectroscopic investigation of CdS quantum dots and Fe2+:ZnSe

Abstract

Bu çalışmada, CdS kuvantum noktalarının ve Fe2+:ZnSe kristallerinin spektroskopiközellikleri araştırıldı. Tezin ilk bölümünde CdS kuvantum noktalarının görünürbölgedeki ışıma özellikleri incelendi. Poly(acrylic asit) (PAA) ile kaplanmış olan CdSquvantum noktaları sulu çözelti içerisinde hazırlandı. Reaksiyon pH değerinin, PAAmolekül ağırlığının (2100 ve 5100 g/mol) ve COOH/Cd oranının parçacık büyüklüğüneve ışıma verimine olan etkileri araştırıldı. Deneylerde kullanılan kuvantum noktalarınınsoğurma bantları 508 nm altındadır. Nanoparçacıkların boyutları soğurma spektrumukullanılarak Brus denklemi ile belirlendi. 355 nm dalga boyundaki pompa kullanılarakörneklerin ışıma ölçümleri yapıldı. Örneklerin ışıma verimleri Rhodamine B referansınagöre belirlendi. Deneylerin sonucunda en yüksek ışıma veriminin (17%) kritikCOOH/Cd oranında (1.5-2) elde edildiği görüldü. Bu kritik oranın aynı zamanda dahaküçük kristal boyutları elde edebilmek için de uyumlu olduğu belirlendi. Bununlabirlikte, pH 7.5 değerinde hazırlanmış olan CdS nanoparçacıklarının, pH 5.5 değerindehazırlanmış olanlara göre daha yüksek kuvantum verimlerinin olduğu gözlemlendi.Tezin ikinci bölümünde Fe2+:ZnSe örneklerinin doyabilen soğurma özellikleriincelendi. Bu deneylerde dalga boyu ayarlanabilir, darbe tekrar sıklığı 1kHz olan ve 10-30 ns darbe genişliğine sahip Cr2+:ZnSe laseri pompa olarak kullanıldı. Doygunlukölçümleri iki farklı dalga boyunda (2645 ve 2730 nm) z-taramalı ve güç geçirgenliğimetotlarıyla yapıldı. 2645 nm pompa gücündeki ölçümler için ortalama temel düzey veuyarılmış düzey soğurma arakesit değerleri 1.73×10-19 cm2 ve 0.23 olarak belirlendi.2730 nm pompa gücündeki değerleri ise 2.47×10-19 cm2 ve 0.17 olarak bulundu. Yaşamsüresi ölçümleri denemeleri tekli ve çoklu kristal yapısına sahip Fe2+:ZnSe örnekleriyleoda sıcaklığında ve düşük sıcaklıklarda denendi. Fakat yeterli ışıma sinyali eldeedilemedi. Düşük sıcaklıklarda ölçüm yapmak için tasarlanan soğutma sistemininyapımı da tezde anlatılmıştır.

In this work, spectroscopic properties of CdS quantum dots and Fe2+:ZnSe crystals wereinvestigated. In the first part of the thesis, visible luminescence characteristics of CdSquantum dots were studied. Poly (acrylic acid) (PAA) coated CdS quantum dots wereprepared in aqueous solutions. Influence of reaction pH, PAA molecular weight (2100and 5100 g/mol), and COOH/Cd ratio on the particle size, colloidal stability, andphotoluminescence (PL) efficiency were investigated. These quantum dots have anabsorption band below 508 nm. Nanoparticle sizes were determined from the absorptiononset wavelength by using the Brus equation. PL studies of the samples were performedat the excitation wavelength of 355 nm. Luminescence quantum yields were measuredwith respect to Rhodamine B. Results show that there is a critical COOH/Cd ratio (1.5-2) that gives the highest quantum yield (17%). This critical value corresponds to smallercrystal sizes (3.7-4.1 nm). Moreover, CdS nanoparticles prepared at pH 7.5 exhibitedhigher quantum yields than those prepared at 5.5.In the second part of the thesis, absorption saturation characteristics of Fe2+:ZnSesamples are discussed. In these experiments, a tunable Cr2+:ZnSe laser producing 10-30ns pulses was used as the pump source. The repetition rate was 1 kHz. Saturationmeasurements were performed at two different wavelengths (2645 and 2730 nm) byemploying the z-scan and power transmission methods. The average value of theabsorption cross section (?a) and normalized-excited state absorption strength (fp) weredetermined to be 1.73×10-19 cm2 and 0.23 2645 nm, respectively. At the wavelength of2730 nm, the respective values were 2.47×10-19 cm2 and 0.17. Attempt was made tomeasure the fluorescence lifetimes of single-crystal and polycrystalline Fe2+:ZnSe atroom temperature and at cryogenic temperatures. However, sufficient fluorescencesignal could not be obtained. The design of the cryogenic system used for attaining lowtemperatures is also described.