CdS/PbS HETEROYAPILARININ

172 Pages·2015·3.97 MB·Turkish

MEROSİYANİN 540 DYE BİLEŞİĞİNİN İNCE
FİLMLERİNİN HAZIRLANMASI VE FOTOFİZİKSEL
ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Bahri GÜR

Doktora Tezi
Kimya Anabilim Dalı
Fizikokimya Bilim Dalı
Doç. Dr. Kadem MERAL
2015
Her hakkı saklıdır
ATATÜRK ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

DOKTORA TEZİ

MEROSİYANİN 540 (MC540) DYE BİLEŞİĞİNİN İNCE
FİLMLERİNİN HAZIRLANMASI VE FOTOFİZİKSEL
ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Bahri GÜR

KİMYA ANABİLİM DALI
Fizikokimya Bilim Dalı

ERZURUM
2015

Her hakkı saklıdır
T.C.
ATATÜRK ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

TEZ ONAY FORMU

MEROSİYANİN 540 (MC540) DYE BİLEŞİĞİNİN İNCE FİLMLERİNİN HAZIRLANMASI VE
FOTOFİZİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Doç. Dr. Kadem MERAL danışmanlığında, Bahri GÜR tarafından hazırlanan bu
çalışma ........./......../........ tarihinde aşağıdaki jüri tarafından Kimya Anabilim Dalı –
Fizikokimya Bilim Dalı’nda doktora tezi olarak oybirliği/oy çokluğu (…/…) ile kabul
edilmiştir.

Başkan : Prof. Dr. Yavuz ONGANER İmza :

Üye : Prof. Dr. Şakir AYDOĞAN İmza :

Üye : Doç. Dr. Hacı Ökkeş DEMİR İmza :

Üye : Doç. Dr. Mustafa ARIK İmza :

Üye : Doç. Dr. Kadem MERAL İmza :

Yukarıdaki sonuç;

Enstitü Yönetim Kurulu . . . . . / . . . / . . . . . . tarih ve . . . . / . . . . . . . . nolu kararı
ile onaylanmıştır.

Prof. Dr. İhsan EFEOĞLU
Enstitü Müdürü
ÖZET
Doktora Tezi
MEROSİYANİN 540 (MC540) DYE BİLEŞİĞİNİN İNCE FİLMLERİNİN HAZIRLANMASI VE
FOTOFİZİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Bahri GÜR

Atatürk Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Kimya Anabilim Dalı
Fizikokimya Bilim Dalı
Danışman: Doç. Dr. Kadem MERAL
Çeşitli film teknikleri kullanılarak MC540 boya bileşiğinin film yapıları amfifilik bir molekül olan
oktadesilamin (ODA) ile birlikte hazırlandı. Bu filmlerin fotofiziksel özellikleri absorpsiyon, durgun-hal
ve zamana-bağlı floresans spektroskopi teknikleri kullanılarak incelendi. Cam substrat üzerine hazırlanan
tek-tabaka MC540/ODA Langmuir-Blodgett (LB) filminin yüzey morfolojisi Atomik Kuvvet Mikroskobu
(AFM) ile belirlendi. MC540’ın alt fazdan ODA’ya adsorpsiyonu ile hazırlanan ODA-MC540 LB
filmlerin yüzey morfolojisi hem AFM hem de Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile incelendi. Spin
coating (SC) film tekniği ile hazırlanan MC540 ve MC540/ODA karışımı SC filmlerinin yüzey
morfolojileri AFM ile belirlendi. Yüzey basıncı – alan (π–A) izotermi çalışmaları ile saf ODA bileşiği,
MC540/ODA karışımı ve ODA-MC540 adsorpsiyonu ile hava/su ara yüzeyinde kararlı Langmuir film
tabakalarının oluştuğu gösterildi. Bu film tabakaları hidrofilik substrat üzerine transfer edilerek Y-tipi LB
filmler hazırlandı. Tabaka sayısının artışının bir sonucu olarak LB filmlerde MC540’ın H-agregat
yapısının oluştuğu belirlendi. MC540/ODA ve ODA-MC540 LB filmlerinin floresans durulma
spektrumlarının analizi ile MC540’ın farklı durulma kinetiğine sahip olduğu belirlendi. MC540/ODA LB
filmlerinin AFM görüntüleri ile yüzeyde MC540/ODA nano kümelerinin oluştuğu gözlenmiştir. ODA-
MC540 LB filmlerinin SEM ve AFM çalışmaları ile hazırlanan film yüzeylerinde faz geçişi öncesinde
ODA-MC540 kompleks nano yapılarının oluştuğu ve daha sonra faz geçişi ile bu kompleks yapıların üst
üste örtüşerek daha büyük nano tabakaları oluşturdukları belirlenmiştir. MC540’ın SC filmlerinin
absorpsiyon karakteristiği tabaka sayısının artışıyla monomer-dimer dengesinde gözlenirken,
MC540/ODA’nın SC filmlerinde bu dengenin monomer yönüne kaydığı belirlenmiştir. AFM görüntüleri
ile MC540 SC filmlerinin yüzeyinde çanak benzeri nano yapıların oluştuğu gözlenirken, MC540/ODA
SC filmlerinde ise bu yapıların kompleks nano yapılara dönüştüğü gösterilmiştir.
2015, 156 sayfa
Anahtar Kelimeler: Langmuir–Blodgett film, Spin coating film, Yüzey basıncı-alan (π–A) izotermi,
Merosiyanin 540, Oktadesilamin, Atomik kuvvet mikroskobu, Taramalı elektron mikroskobu
i
ABSTRACT
Ph. D Thesis
THE PREPARATION OF THIN FILMS OF MEROCYANINE 540 (MC540) DYE COMPOUND
AND INVESTIGATION OF PHOTOPHYSICAL PROPERTIES
Bahri GÜR

Ataturk University
Graduate School of Natural and Applied Sciences
Department of Chemistry
Physical Chemistry
Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Kadem MERAL
Film structures of MC540 dye compound with octadecylamine (ODA) as an amphiphilic molecule were
prepared by various film techniques. Photophysical properties of these films were investigated by using
absorption, steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopy techniques. The morphology of one-
layer mixed LB film of MC540/ODA on the glass substrate was characterized by atomic force
microscopy (AFM). The morphology of ODA-MC540 LB films obtained by the adsorption of the dye
subhase to ODA Langmuir film was investigated by means of both AFM and Scanning Electron
Microscopy (SEM). The morphology of spin coating (SC) films of MC540 and mixture of MC540/ODA
were determined by AFM. The pressure–area (π–A) isotherm studies revealed that the pristine ODA, the
mixtures of MC540/ODA and the ODA-MC540 formed a stable monolayer at the air/water interface and
these floating layers were easily transferred on the hydrophilic substrates as the Y-type LB films. As a
result of an increase in the number of layers in the LB films, the H-aggregates of MC540 were formed.
The analysis of fluorescence decays of the MC540/ODA and ODA-MC540 LB films exhibited that the
MC540 molecules have different decay kinetics. AFM image of one-layer MC540/ODA LB film showed
that the film surface consisted of MC540/ODA nanoclusters. SEM and AFM images of ODA-MC540 LB
films which were transferred before the phase transition revealed that the film surface comprised of ODA-
MC540 complex nanostructures and then the resulting phase transition these complex structures formed
larger ODA-MC540 complex structures via overlapped of the layers. As a result of increased layers, the
absorption characteristic of MC540 SC films was observed in monomer-dimer equilibrium in
MC540/ODA SC films, and determined that this equilibrium was shifted to the monomer. While the AFM
image of MC540 SC film showed that the film surface consisted of bowl-like nano structures, in the
image of MC540/ODA SC film revealed that these structures were turned to complex nano structures.
2015, 156 pages
Keywords: Langmuir–Blodgett films, Spin coating films, Surface pressure-area (π–A) isotherms,
Merocyanine 540, Octadecylamine, Atomic force microscopy, Scanning electron microscopy

ii
TEŞEKKÜR

Doktora Tezi olarak sunduğum bu çalışma, Atatürk Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya
Bölümünde gerçekleştirilmiştir.

Bu tezin gerçekleştirilmesinde, başlangıcından sonuna kadar, gerekli bütün yardım,
tavsiye ve yönlendirmeleri yapan, karşılaştığım problemlerin çözümünde
deneyimlerinden yararlandığım danışman hocam Sayın Doç. Dr. Kadem MERAL’e
katkılarından dolayı teşekkür ederim.

Ayrıca çalışmalarım esnasında bilimsel katkıları ile bana yardımcı olan, eğitimim
süresince yardımlarını esirgemeyen, saygıdeğer hocam Sayın Prof. Dr. Yavuz
ONGANER’e teşekkür ederim.

Tez çalışmam süresince ilgili yardımlarından dolayı değerli hocalarım Sayın Prof. Dr.
Şakir AYDOĞAN’a ve Sayın Doç. Dr. Mustafa ARIK’a teşekkür ederim.

Tez hazırlama sürecinde desteklerinden dolayı Sayın Dr. Ebru BOZKURT’a ve
fizikokimya araştırma grubuna,

Çalışmalarım esnasında her türlü imkânı sağlayan Atatürk Üniversitesi Fen Fakültesi
Dekanlığına, Kimya Bölüm Başkanlığına,

Manevi desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen eşime ve aileme de teşekkürü borç
bilirim.

Bahri GÜR
Ocak 2015

i ii
İÇİNDEKİLER
ÖZET………………………………………….……………………………….................. i
ABSTRACT........................................................................................................................ ii
TEŞEKKÜR………………………..……………………………………………………. iii
SİMGELER DİZİNİ………………………………..……………………………............ vii
ŞEKİLLER DİZİNİ……………………..…………………………………...………......viii
ÇİZELGELER DİZİNİ…………………...……………………...………...…..................xii
1.GİRİŞ……………………………………………………………………………...... 1
1.1. Eksiton teorisi.………………………….…………..……………..…………..… 10
1.2. Moleküler dimerin yapısı……………..…………………………………..….….. 12
1.2.1. Paralel (Sandwich) yapı…. …………………..………………………..……..14
1.2.2. Baş-kuyruk (Head to tail) yapı ……………………………………………...… 15
1.3. Film hazırlama teknikleri……………………………...………….….… ……..…25
1.3.1. Langmuir-Blodgett (LB) ince film tekniği…………………………...……...... 26
1.3.2. Döndürerek kaplama (Spin coating, SC) film tekniği…………………..… ..…43
1.4. Spektroskopik teknikler……………….……………………………...….…..….. 49
1.4.1. UV-Görünür bölge absorpsiyon spektroskopi tekniği…….….…….………..... 49
1.4.2. Floresans spektroskopi tekniği…………………………………….………..…. 53
1.4.3. Floresans ömür ölçümleri…..……………………………………...……..….... 56
2. KAYNAK ÖZETLERİ…………………………………………………...……… 61
3. MATERYAL ve YÖNTEM................................................................................... 82
3.1. Kullanılan alet ve cihazlar...................................................................................... 82
3.2. Kullanılan kimyasal maddeler............................................................................... 83
3.3. Numunelerin hazırlanması……..………...……………………………......…...... 83
3.3.1. MC540 stok ve film çözeltilerinin hazırlanması…………….….... ……………83
3.4. İnce filmlerin hazırlanması…………………………..………………………...... 83
3.4.1. LB filmlerin hazırlanması…………………….……………………………….. 83
3.4.1.a. MC540/ODA karışımının ince filmlerinin hazırlanması……………………. 84
3.4.1.b. ODA Langmuir filmine MC540’ın adsorpsiyonu yolu ile ince filmlerinin
hazırlanması……………………………………………………………………... 85
3.4.2. Döndürerek kaplama (Spin coating) tekniğiyle ince filmlerin hazırlanması.… 86
iv
3.5. Metotlar……………....…...................................................................................... 87
3.5.1. Absorpsiyon, durgun-hal ve zamana-bağlı floresans spektrumlarının
alınması………………………………………………………………………….. 87
3.5.2. İnce filmlerin yüzey morfolojilerinin belirlenmesi……………………………. 88
4. ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA………….…………………........ 89
4.1. MC540’ın saf su ve kloroform içerisindeki fotofiziksel özellikleri…...……….... 89
4.1.1. Absorpsiyon ölçümleri………………………………………………………… 89
4.1.2. Floresans ölçümleri……………………………………………………………. 91
4.1.3. Zamana-bağlı floresans ölçümleri……………………………………………... 92
4.2. MC540/ODA karışımları için yüzey basıncı – alan (π–A) izotermleri………….. 94
4.3. MC540/ODA karışımının LB filmlerinin fotofiziksel özellikleri..……………... 96
4.3.1. Absorpsiyon ölçümleri………………………………………………………… 96
4.3.1.a. 30 mN/m yüzey basıncında hazırlanan tekli ve çoklu tabaka MC540/ODA
LB filmlerin absorpsiyon özellikleri…………………………………………….. 97
4.3.1.b. Farklı yüzey basınçlarında hazırlanan tek tabaka MC540/ODA LB filmlerin
absorpsiyon özellikleri…………………………………………………………... 99
4.3.2. Floresans ölçümleri…………………………………………………..………. 101
4.3.3. Zamana-bağlı floresans ölçümleri…………………………………..………... 102
4.4. Tek tabaka MC540/ODA LB filminin morfolojik özellikleri….…………...…. 104
4.5. ODA­MC540 adsorpsiyonu için yüzey basıncı – alan (π–A) izotermleri……... 107
4.6. ODA-MC540 adsorpsiyonu LB filmlerinin fotofiziksel özellikleri……...……. 109
4.6.1. Absorpsiyon ölçümleri……………………………………………………….. 109
4.6.1.a. 25 mN/m yüzey basıncında hazırlanan tekli ve çoklu tabaka
ODA-MC540 adsorpsiyonu LB filmlerin absorpsiyon özellikleri……………... 109
4.6.1.b. 35 mN/m yüzey basıncında hazırlanan tekli ve çoklu tabaka
ODA-MC540 kompleks LB filmlerinin absorpsiyon özellikleri…………......... 113
4.6.1.c. 45 mN/m yüzey basıncında hazırlanan tekli ve çoklu tabaka
ODA-MC540 kompleks LB filmlerinin absorpsiyon özellikleri………………. 114
4.6.1.d. Farklı yüzey basınçlarda hazırlanan tek tabaka
ODA-MC540 adsorpsiyonu LB filmlerin absorpsiyon özellikleri……………... 116
4.6.2. Floresans ölçümleri…………………………….…………………………...... 117
4.6.3. Zamana-bağlı floresans ölçümleri……………………………………………. 119
v
4.7. Farklı yüzey basınçlarında hazırlanan tek tabaka ODA-MC540 adsorpsiyonu
LB filmlerinin morfolojik özellikleri……….………………………………..… 122
4.8. MC540 boya bileşiği ve MC540/ODA karışımının Spin coating (SC) filmlerinin
absorpsiyon karakteristiği…….………………………………………………... 127
4.8.1. MC540 boya bileşiği SC filmlerinin absorpsiyon spektrumları..…......….….. 127
4.8.2. MC540/ODA karışımının SC filmlerinin absorpsiyon spektrumları...………. 130
4.9. Tek tabaka MC540 SC filmlerinin morfolojik özellikleri……………………... 131
4.10. Tek tabaka MC540/ODA SC filminin morfolojik özellikleri……………… 133
5. SONUÇ………………………………….………………………….….……… 137
5.1. MC540 floresans bileşiğinin kloroform içerisindeki optik özellikleri….……. 137
5.2. MC540/ODA LB filmlerinin optik ve morfolojik özellikleri………………….. 138
5.3. ODA-MC540 LB filmlerinin optik ve morfolojik özellikleri………………….. 139
5.4. MC540 ve MC540/ODA SC filmlerinin optik ve morfolojik özellikleri…...…. 142
KAYNAKLAR…………………………………………………… ……………..........144
ÖZGEÇMİŞ…………………………………….………………..……………... .......157

vi
SİMGELER DİZİNİ
h Planck sabiti
k İç dönüşüm olayının hız sabiti
ıc
k Sistemler arası geçiş olayının hız sabiti
ısc
k Işımasız geçiş hız sabiti
nr
kS Singlet uyarılmış halde meydana gelen kimyasal reaksiyonun hız sabiti
R
kT Triplet uyarılmış halde meydana gelen kimyasal reaksiyonun hız sabiti
R
k Işımalı geçiş hız sabiti
r
ns Nanosaniye
nm Nanometre
S Singlet temel hal
0
S Singlet birinci uyarılmış elektronik enerji seviyesi
1
S Singlet ikinci uyarılmış elektronik enerji seviyesi
2
T Triplet birinci uyarılmış elektronik enerji seviyesi
1
T Triplet ikinci uyarılmış elektronik enerji seviyesi
2
λ Absorpsiyon dalga boyu
abs
λ Örneklerin uyarılma dalga boyu
ex
Molar absorpsiyon katsayısı
τ Floresans ömrü
fl
τ Radyasyonlu geçiş yaşam ömrü
r
SC Spin coating
LB Langmuir-Blodgett
L Langmuir
MC540 Merosiyanin 540
ODA Oktadesilamin
π İki-boyutlu analog yüzey basıncı
γ Bir tek-tabakanın bulunduğu durumdaki yüzey gerilimi
γ Tek-tabakanın bulunmadığı durumdaki yüzey gerilimi
0
I(t) Zamanın bir fonksiyonu olarak floresans şiddeti
Ψ Dimerin temel hal dalga fonksiyonu
0
Ψ Dimerin birinci uyarılmış simetrik hal dalga fonksiyonu
+
Ψ Dimerin birinci uyarılmış asimetrik hal dalga fonksiyonu
-
v Frekans
mN Milinewton

vii