Décrits dans les présentes sont les protocoles de fonctionnement et montage d’une plateforme de criblage microfluidique modulaire pour la caractérisation systématique des synthèses de nanocristaux semi-conducteurs colloïdal. Au moyen d’arrangements de système entièrement réglable, collection très efficace de spectres peut-être être menée dans 4 ordres de grandeur des échelles de temps de réaction dans un espace contrôlé par transfert de masse d’échantillonnage.
NANOCRISTAUX SEMICONDUCTEURS colloïdal, appelée quantum dots (QDs), est une catégorie croissante de matériaux dans l’électronique commerciale, tels que la lumière électroluminescentes diodes électroluminescentes (del) et le photovoltaïque (PV). Parmi ce groupe de matériau, pérovskites organiques/inorganiques ont démontré une amélioration significative et potentiel vers la fabrication de PV haut rendement et à faible coût en raison de leurs mobilités de porteur de charge élevée et la durée de vie. Malgré les opportunités de perovskite QDs dans des applications PV et LED à grande échelle, le manque de compréhension fondamentale et complète de leurs voies de croissance a freiné leur adaptation dans les stratégies de nanofabrication continue. Les approches traditionnelles de dépistage basé sur la fiole sont généralement coûteux, fastidieux et imprécis pour caractériser efficacement la paramètre large espace synthèse variété et pertinente à des réactions QD colloïdales. Dans cet ouvrage, une plate-forme entièrement autonome microfluidique est développée pour étudier systématiquement l’espace grand paramètre associé à la synthèse colloïdale de nanocristaux dans un format de flux continu. Grâce à l’application d’un roman, traduction de cellule d’écoulement de trois ports et unités d’extension de réacteur modulaire, le système peut recueillir rapidement les spectres d’absorption et de fluorescence à travers longueur réacteur 3-196 cm. La longueur de réacteur réglable découple non seulement le temps de séjour depuis le transfert de masse dépendant de la vitesse, il améliore aussi considérablement les fréquences d’échantillonnage élevées et la consommation de produits chimiques en raison de la caractérisation des 40 spectres uniques au sein d’un même système équilibré. Taux d’échantillonnage peuvent atteindre jusqu’à 30 000 spectres uniques par jour, et les conditions couvrent 4 ordres de grandeur en résidence fois allant de 100 ms – 17 min. Autres demandes de ce système permettrait d’améliorer sensiblement le taux et la précision de la découverte de matériel et de dépistage à l’avenir des études. Détaillée dans ce rapport sont les matériaux du système et les protocoles de l’Assemblée avec une description générale du logiciel automatisé d’échantillonnage et traitement des données en mode hors connexion.
L’avènement des nanocristaux semi-conducteurs, en particulier des points quantiques, a entraîné des progrès importants dans la recherche de matériel électronique et de fabrication. Par exemple, affiche de point quantique LEDs1 ont déjà été appliquées en « QLED » disponible dans le commerce. Plus récemment parmi cette catégorie de semi-conducteurs, pérovskites ont suscité un intérêt substantiel et la recherche vers les technologies PV à haute efficacité et faible coût. Depuis la première démonstration d’un PV de base pérovskite en 2009,2 l’efficacité de conversion énergétique de laboratoire de cellules solaires à base perovskite a augmenté à un rythme inégalé par n’importe quelle technologie PV dans l’histoire. 3 , 4 en plus de l’intérêt conduite axée sur la pérovskite PVs, une variété de méthodes récentes décrivant la synthèse colloïdale facile des nanocristaux de perovskite ont créé l’occasion pour la transformation de phase soluble à faible coût, de perovskite QDs dans électronique commerciale. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14
Dans l’effort de nanofabrication à grande échelle de perovskite colloïdal QDs, une meilleure compréhension fondamentale des voies de croissance nanocristallins un contrôle effectif des conditions de la réaction tout d’abord il faut développer et. Cependant, des études existantes de ces processus comptent traditionnellement sur les approches axées sur le ballon. Stratégies de synthèse lot présentent une variété de limites inhérentes en matière de production et caractérisation des matériaux, mais surtout, techniques axées sur la fiole sont très inefficaces lors de dépistage de consommation de temps et précurseur et démontrer Propriétés de transfert de masse selon la taille ballon, qui inhibent la cohérence de la synthèse. 15 pour étudier efficacement les voies de la croissance des nanocristaux semiconducteurs colloïdale à travers la grande variété de procédures de synthèses rapportées et dans l’espace large échantillon pertinentes, une technique de dépistage plus efficace est nécessaire. Les deux dernières décennies, un éventail de stratégies microfluidiques ont été développées pour l’étude des nanocristaux colloïdaux s’appuyant sur la consommation de produits chimiques sensiblement plus basses, l’accessibilité des méthodes de criblage à haut débit et le potentiel pour une implémentation du contrôle de processus dans les systèmes de synthèse continue. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20
Dans ce travail, nous rapportons la conception et le développement d’une plateforme automatisée microfluidiques pour le haut débit sur place les études des nanocristaux semiconducteurs colloïdal. Un roman traduisant la cellule d’écoulement, une conception hautement modulaire et l’intégration des réacteurs tubulaires sur étagère et raccords fluidiques former une plate-forme reconfigurable unique et adaptable avec des applications directes dans la découverte, le criblage et l’optimisation des NANOCRISTAUX colloïdaux. Capitalisant sur la capacité de translation de notre technique de détection (par exemple, une cellule de trois ports de flux), pour la première fois, nous démontrons que le découplage systématique des échelles de temps de mélange et de la réaction, tout en améliorant l’échantillonnage taux de rendement et collection rapport aux approches traditionnelles de flux stationnaire cellule. L’utilisation de cette plateforme permet à l’ingénierie de haut-débit et précis bande interdite de synthèses de nanocristaux colloïdaux vers des stratégies de nanofabrication continue.
1. assemblage du réacteur
Figure 1 . Une illustration étape par étape d’un processus d’assemblage de plate-forme échantillon. Les panneaux montre une illustration étape par étape d’un processus d’assemblage de plate-forme échantillon détaillant (i) l’accord initial de la scène de la traduction et les titulaires de poste optique sur le pain de montage large, (ii) le montage du tube précurseur stade de montage et le flux des cellules sur les postes optiques, (iii) la fixation du tube à la jonction croisée personnalisée qui relève de la transparence pour révéler des voies de circulation, (iv) la sécurisation de la tubulure de précurseur tout en positionnant simultanément la première unité d’échantillonnage, microfluidique (v) la connexion ultérieure d’unités d’échantillonnage supplémentaires avec le tube réacteur parcourent chaque module, des unités d’extension (vi) la voie de la tuyauterie du réacteur et (vii) l’obtention de l’unité d’échantillonnage final pour soutenir la structure et les postes optiques. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Remarque : En raison de la vaste gamme de configurations possibles, le processus d’assemblage exact de la plate-forme microfluidique peut varier ; Cependant, les méthodes générales sont les mêmes pour tous les arrangements. Détaillées dans la Figure 1 est le processus d’assemblage de plate-forme pour un format de deux précurseurs, multiphase flow avec une unité d’extension unique après le port de la 14ème d’échantillonnage.
2. préparation du précurseur
Remarque : La réaction de système de contrôle peut être appliquée à la synthèse de nanocristaux de semi-conducteurs colloïdal divers ; Toutefois, aux fins de développement de la plate-forme et validation, une synthèse de pérovskite CsPbBr3 , adapté de Wei et al. 6 pour mieux satisfaire les analyses de flux, a été utilisé comme une réaction de l’étude de cas. Le processus de préparation du précurseur est détaillé ci-dessous.
3. interface d’opération
Note : L’ensemble de la collecte des données s’effectue via la plate-forme automatisée de réaction après que l’utilisateur spécifie une série de conditions d’écoulement à tester. Les procédures générales pour le fonctionnement de l’interface utilisateur au cours de cette période initiale d’entrée sont détaillées ci-dessous.
4. Pathlength Corrections
Système de prélèvement automatique : Le fonctionnement autonome de la plateforme de criblage est effectué avec une machine à états finis contrôle central. Déplacement entre ces États se produit successivement avec plusieurs segments récursive pour permettre le fonctionnement à travers un nombre variable de conditions d’échantillonnage. Les contrôles de système général peuvent être divisées en 3 étapes de base. Tout d’abord, le système commence par une étape d’initialisation, qui établit des communications dans le cadre de chaque composante de contrôle USB, automatiquement définit le fichier de sauvegarde des voies et vous invite pour les entrées de l’utilisateur initial. Ensuite, le programme s’exécute à travers le processus d’échantillonnage pour chaque condition de réaction entrée jusqu’à ce que toutes les données ont été collectées. Enfin, un processus de terminaison retourne tout le matériel à la position de départ avant la fin de l’opération de script. Le mouvement général au sein de ce logiciel est détaillé à la Figure 6.
Détection de port : Dans le cadre d’automation principales sont plusieurs sous-fonctions critiques qui permettent des caractérisations de réaction efficace et efficient. Tout d’abord, la Figure 7 montre une partie du segment « Initialisation » où les positions de port d’échantillonnage sont définies pour l’étape de traduction. La fonction de détection de port stabilise tout d’abord le segment du réacteur en imitant le mouvement cellulaire écoulement le long du réacteur pour 8 passes complets. Ensuite, il détecte l’emplacement du port optimal en échantillonnant l’intensité de fluorescence à travers une fenêtre de 1 mm autour de l’endroit estimé et sélectionner la position de l’intensité maximale. Cet endroit est enregistré pour chaque port et utilisé comme les positions de la scène au cours de procédures d’échantillonnage subséquent.
Source lumineuse basculant : Les spectres d’absorption et de fluorescence efficaces d’échantillonnage au sein de la cellule de trois ports débit s’effectue avec une source de lumière automatique, activation/désactivation du système. En arrivant à l’orifice d’échantillonnage, 10 spectres pour les deux absorbance à un temps d’intégration de 15 ms et fluorescence à un 4-ms de temps d’intégration peuvent être collectées dans aussi peu que 400 Mme lors de déplacement entre lieux d’échantillonnage, les LED et lampe de DH sont basculé au loin. En arrivant au port d’échantillonnage souhaitée, la lampe de DH est déclenchée sur, et les conditions de prélèvement d’échantillons d’absorbance sont définies sur le spectromètre, suivi de prélèvement d’échantillons. La lampe de DH est ensuite basculée au loin, alors que la LED est basculée sur. Le processus d’échantillonnage est répété pour les conditions de fluorescence, et les deux voyants sont éteints puis.
Slug détection : Dans les systèmes d’écoulement multiphase, prélèvement efficace exige une combinaison de techniques d’échantillonnage, qui dépendent de la vitesse de la limace mobile. La vélocité de limace de seuil où un algorithme de détection devient moins efficace que la simple moyenne a été trouvée à environ 11 mm/s. Dans le cas des systèmes de vitesse inférieure, spectres unique d’échantillonnage est effectué à intervalles uniformes sur toute la longueur estimée de 2 limaces fluides (environ 1 cm). Dans les spectres obtenus par le biais de ce processus d’échantillonnage, les 10 spectres optimales dans le centre de liquide en vrac de la limace sont isolées à l’aide d’un écart de cinq points locaux d’une longueur d’onde donnée au fil du temps – 400 nm pour la fluorescence et 380 nm pour l’absorbance – comme le montre Figure 8. Au sein des systèmes de vitesse du fluide plus élevées, toutefois, la fenêtre d’échantillonnage d’une limace mobile unique dépasse le taux d’échantillonnage efficace du spectromètre. Dans ces cas, avec une moyenne d’ensemble 10 spectres collectés sur des intervalles uniformes s’est avérée suffisant.
Spécifications du système : Grâce à l’application de plusieurs unités d’extension de 87 cm, échantillonnage ports peut-être être positionné à des longueurs de tube réacteur variant 3-196 cm. La combinaison du mouvement de la cellule d’écoulement et de débits variables permet in situ la caractérisation spectrale à résidence fois allant de 100 ms – 17 minutes avec une fréquence d’échantillonnage plus élevée que 30 000 spectres par jour. En outre, chaque spectre d’absorption ou de fluorescence a été obtenue avec notamment faible consommation de produits chimiques, qui exige seulement 2 µL par spectres au moment de l’échantillonnage et 20 µL par spectra ensemble (à partir de démarrage à l’arrêt). Cette fréquence d’échantillonnage élevée et l’efficacité peuvent être attribuées à la collection de jusqu’à 40 spectres uniques au sein d’un seul système équilibré à travers la cellule traduction de flux. Après avoir appliqué la stabilisation du réacteur, alignement de port et les processus de correction pathlength, c’est la plate-forme qui s’est avérée exact pour plus de 30 passes complets de la cellule de débit (Figure 9). Une caractérisation des intensités du signal source lumineuse respectifs sur une référence de toluène, il a été constaté que l’erreur dans la numération d’une longueur d’onde donnée pour chaque port est resté moins de 1 % dans l’ensemble de toutes les passes de 30 dans les signaux de la fluorescence et de l’absorption. Cette stabilité dans le système de mesure de réacteur activé matière découverte, contrôle et optimisation des études approfondies à mener avec une interférence minimale manuelle, résultant dans la collecte de données plus cohérente provenant du même lot de précurseurs.
Étendue spatiale d’échantillonnage : La relation entre temps de vitesse et de la résidence fluide a souvent été confondue en synthèse existante, des études de dépistage. Pour caractérisations mise en œuvre d’une cellule d’écoulement stationnaire, par exemple, temps de séjour variable sont obtenus en ajustant des vitesses de fluide nets. Toutefois, comme indiqué lors de l’évaluation décrite précédemment de cinétique accordabilité en croissance de nanocristaux semiconducteurs, cette méthode de caractérisation de la réaction est probablement insuffisant pour les études d’un large éventail de synthèses colloïdaux semi-conducteurs avec nucléation rapide et cinétique de croissance. Découplage du temps de séjour de la vitesse du fluide en appliquant un système d’échantillonnage portable élargit l’espace d’échantillonnage d’une manière qui n’a pas été explorée auparavant. Ainsi, la technologie modulaire permet de découverte et études préparatoires de la prochaine génération des nanomatériaux colloïdale avec précision sensiblement renforcée et de contrôle sur les conditions de synthèse.
The authors have nothing to disclose.
Toluene | Fisher Scientific | AC364410010 | 99.85% extra over molecular sieves |
Oleic acid | Sigma Aldrich | 364525 ALDRICH | technical grade 90% |
Cesium hydroxide (50 wt% in water) | Sigma Aldrich | 232041 ALDRICH | 50 wt% in water > 99.9% trace metals |
Lead(II) oxide | Sigma Aldrich | 211907 SIGMA-ALDRICH | > 99.9% trace metals basis |
Tetraoctylammonium bromide | Sigma Aldrich | 294136 ALDRICH | 98% |
1/16" OD, 0.04" ID FEP tubing | MicroSolv | 48410-40 | |
1/16" OD, 0.02" ID ETFE tubing | MicroSolv | 48510-20 | |
0.02" thru hole PEEK Tee | IDEX Health & Science | P-712 | |
1/4-28 ETFE flangeless ferrule for 1/16" | IDEX Health & Science | P-200N | |
1/4-28 PEEK flangeless nut for 1/16" | IDEX Health & Science | P-230 | |
4-way PEEK L-valve | IDEX Health & Science | V-100L | |
Syringe pump | Harvard Apparatus | 70-3007 | |
8 mL stainless steel syringe | Harvard Apparatus | 70-2267 | |
25 mL glass syringe | Scientific Glass Engineering | 25MDF-LL-GT | |
Optical breadboard | ThorLabs | MB1224 | |
300 mm translation stage | ThorLabs | LTS300 | |
Optical post | ThorLabs | TR2-4 | TR2, TR3, or TR4 |
Optical post holder | ThorLabs | PH4-6 | PH4 or PH6 |
365 nm LED | ThorLabs | M365LP1 | |
LED driver | ThorLabs | LEDD1B | |
600 micron patch cord | Ocean Optics | QP600-1-SR | |
Deuterium-halogen light source | Ocean Optics | DH-2000-BAL | |
Miniature spectrometer | Ocean Optics | FLAME-S-XR1-ES | |
Multifuction I/O device (DAQ) | National Instruments | USB-6001 | |
Virtual Instrument Software | National Instruments | LabVIEW 2015 SP1 |