콜 로이드 반도체 나노의 체계적인 연구를 위한 모듈형 미세 기술

요약

여기 상세한 콜 로이드 반도체 nanocrystal 종합의 체계적인 특성에 대 한 모듈형 미세 심사 플랫폼의 운영 및 어셈블리 프로토콜이 있습니다. 완벽 하 게 조절 시스템 협정을 통해 매우 효율적인 스펙트럼 컬렉션 대량 전송 제어 샘플링 공간 내에서 4 배나 반응 시간의 척도 걸쳐 실시 수 있습니다.

초록

콜 로이드 반도체 나노 양자 점 (QDs)로 알려진은 빛 같은 상업적인 전자 재료의 급성장 클래스 발광 다이오드 (Led), 태양광 (PVs). 이 소재 그룹 중 무기/유기 perovskites 중요 한 개선 및 잠재력 높은 효율, 낮은-비용 PV 제조 그들의 높은 충전 캐리어 mobilities 및 수명 때문으로 설명 했다. 페로 QDs 대규모 태양광 및 LED 응용 프로그램에 대 한 기회에도 불구 하 고 그들의 성장 경로 대 한 근본적이 고 종합적인 이해의 부족 연속 nanomanufacturing 전략 내에서 그들의 적응을 저해 했다. 전통적인 플라스 크 기반 심사 접근은 일반적으로, 노동 집약, 비싸고 효과적으로 광범위 한 매개 변수 공간 및 합성 다양 한 콜 로이드 qd는 반응에 관련 특성화에 대 한 부정 확 한. 이 작품에서 완전히 자치 미세 플랫폼 관련 연속 흐름 형태로 나노 콜 로이드 합성 된 큰 매개 변수 공간을 체계적으로 공부를 개발 된다. 3 포트 흐름 세포와 모듈형 원자로 확장 단위 번역 소설의 응용 프로그램을 통해 시스템 수집할 수 있습니다 빠르게 흡수 스펙트럼과 형광 반응 기 길이 3-196 cm까지에 걸쳐. 조정 가능한 반응 기 길이 뿐만 아니라 속도 종속 대량 전송에서 체류 시간을 분리, 그것은 또한 실질적으로 샘플링 속도 단일 내에서 40 독특한 스펙트럼의 특성으로 인해 화학 소비 개선 equilibrated 시스템입니다. 샘플 속도, 하루 최대 30000 독특한 스펙트럼을 도달할 수 하 고 조건을 커버 100 ms-17 분까지 시간 레 지 던스 4 배나. 속도 정밀 소재 발견과 연구를 미래에 심사에 실질적으로이 시스템의 추가 응용 프로그램 향상 것. 이 보고서에서 자세한 시스템 자료와 자동된 샘플링 소프트웨어와 오프 라인 데이터 처리에 대 한 일반적인 설명 함께 어셈블리 프로토콜 있습니다.

서론

특히 양자 점 반도체 나노의 출현 전자 재료 연구 및 제조에 상당한 발전을 주도 했다. 예를 들어 양자 점¹ 이미 상용 "QLED"에서 구현 된 Led 표시 됩니다. 최근 반도체의이 클래스, 중 perovskites 상당한 관심과 높은 효율과 낮은 비용 태양광 발전 기술 쪽으로 연구 촉발 했습니다. 2009 년에 페로 기반 태양광 발전의 첫 번째 데모, 이후² 페로 기반 태양 전지의 실험실 규모 전력 변환 효율 모든 PV 기술 역사에 의해 유례 없는 속도로 증가 했다. ^{3 , 4} 운전 관심이 페로 기반 증후군 이외에 페로 나노의 손쉬운 콜 로이드 합성 기술 최근 방법의 다양 한 만든 낮은-비용, 솔루션 단계 처리에 페로 QDs의 기회 상업적인 전자입니다. ^{5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14}

콜 로이드 페로 QDs의 대규모 nanomanufacturing 향해 노력, nanocrystal 성장 경로의 근본적인 이해 및 반응 조건의 효과적인 제어 해야 합니다 먼저 개발 될. 그러나, 이러한 프로세스의 기존 연구는 전통적으로 플라스 크-기반 접근에 의존 했습니다. 일괄 합성 전략 소재 특성 및 생산, 한계의 다양 한 제시 하지만 가장 크게, 플라스 크 기반 고효율 상영 시간 및 선구자 소비에는 기술과 입증 합성 일관성을 억제 하는 플라스 크 크기 종속 대량 전송 속성. ¹⁵ 큰 다양 한 보고 종합 절차 및 광범위 한 관련 샘플 공간 내에서 콜 로이드 반도체 나노의 성장 경로 효과적으로 공부 하는 더 효율적인 심사 기술이 필요 합니다. 지난 2 년간 다양 한 미세 전략의 실질적으로 낮은 화학 소비, 높은 처리량 검열 방법의 접근성 및 대 한 잠재력을 활용 하 여 콜 로이드 나노 연구 개발 되었습니다는 연속 합성 시스템에 프로세스 제어 구현입니다. ^{12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20}

이 작품에서는, 우리는 설계 및 개발의 콜 로이드 반도체 나노 연구 현장에서 높은 처리량에 대 한 자동화 된 미세 플랫폼의 보고합니다. 흐름 세포, 매우 모듈형 디자인 및 관 상용 원자로 및 유체 연결의 통합 번역 소설 형성 발견, 심사, 및의 최적화에 직접 응용 프로그램을 고유 하 고 적응력이 재구성 가능한 플랫폼 콜 로이드 나노입니다. 우리는 샘플링을 동시에 개선 하는 동안 혼합 및 반응 계획의 체계적인 분리 보여 처음으로 우리의 탐지 기술 (즉, 3-포트 흐름 셀)의 변환 기능을 이용, 전통적인 고정 흐름 효율성 및 수집 속도 접근 세포. 이 플랫폼의 활용 연속 nanomanufacturing 전략으로 콜 로이드 nanocrystal 종합의 높은 처리량 및 정밀 밴드 갭 엔지니어링을 수 있습니다.

프로토콜

1. 원자로 어셈블리

그림 1 . 샘플 플랫폼 어셈블리 프로세스의 단계별 그림. 패널 (i) 번역 단계 및 광학 게시물 홀더 장착 빵 광범위 한, (ii) 단계 장착 전조 튜브의 장착에의 초기 배치 적 샘플 플랫폼 어셈블리 프로세스의 단계별 그림 표시와 흐름 세포 광 게시물, (iii)에 사용자 정의 크로스 연결 흐름 경로, (iv) 동시에 첫 번째 샘플링 단위를 배치 하면서 전조 튜브 확보 공개 투명도에서 미세 관의 첨부 파일 (v) 추가 샘플링 단위 각 모듈, (vi)는 반응 기의 배관 통로 확장 단위, (vii) 구조와 광 게시물을 지원 하기 위해 최종 샘플링 장치 확보를 통해 실행 하는 반응 기 튜브의 후속 연결. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

참고: 가능한 구성의 광범위로 인해 미세 플랫폼의 정확한 어셈블리 프로세스가 다를 수 있습니다; 그러나, 일반적인 메서드는 모든 준비도 마찬가지. 아래 자세한 그림 1 에 14^회 샘플링 포트 후 단일 확장 단위를 가진 2-선구자, 다 상 흐름 형식에 대 한 플랫폼 어셈블리 프로세스가입니다.

1. 번역 단계 보안 및 광학 브레드보드에 홀더를 게시. 게시물에 연결 설치 단계와 흐름 셀을 연결 하 고 플랫폼에 고정.
2. 반응 기 튜브와 전조 라인 사용자 지정 간 접합 피드와 피드 제기 단계에서 채널을 통해 튜브를 연결 합니다. 각 튜브 세그먼트 각각 주사기 펌프 또는 컬렉션 유리병에 편안 하 게 도달할 수 있는 길이를 잘라 확인 하십시오.
3. 접합 단계를 첫 번째 샘플링 포트 장치를 연결 하 고 모든 관 구성 및 장소에 첫 번째 샘플링 단위 보안 제기 장착 단계로 전조 선 커버를 고정.
4. 원하는 구성 요소를 통해 반응 기 튜브를 실행 세그먼트 조립 구조의 나머지 부분을 연결 하 여 추가 모듈 반응 기 단위를 추가 합니다. 원하는 길이까지 교차점에서 단위를 구축 하 고 배열을 얻을 수 있다.
   참고: 반응 기 튜브 각 단위 내에서 단단히 적합 해야 한다. 튜빙 (스트레칭, 압착, 등)에 변형 광학 신호 강도를 크게 영향을 줍니다.
5. 마지막 샘플링 세그먼트의 콘센트에 지원 구조를 고정 하 고 브레드보드에 연결 된 광학 게시물에 지원을 확보.
6. 컴퓨터 제어 주사기 펌프 흐름 시스템의 공급된 라인을 연결 하 고 질소 가스 가압된 (~ 12 공장) 컬렉션 유리병에 반응 기 출구를 피드.
7. 3 섬유 광섬유 패치 코드 3 흐름 셀 포트에 연결 하 고 각각 반대 끝 분석기, LED, 그리고 중수소-할로겐 (DH) 광원을 연결할. 케이블 ( 그림 2에서 같이) 플랫폼 어셈블리를 완료 하는 데 전체 길이 번역 단계와 흐름 세포와 그들의 연결에 어떤 불필요 한 부담 없이 원활 하 게 이동할 수 있는지 확인 하십시오.

2. 전조 준비

참고: 시스템을 검사 하는 반응 다양 한 콜 로이드 반도체 나노;의 합성에 적용 될 수 있습니다. 그러나, 플랫폼 개발 및 검증, CsPbBr₃ 페로 합성 웨이 외 에서 적응을 위해 ⁶ 더 나은 흐름 분석에 맞게 사례 연구 반응으로 사용 되었다. 선구자 준비 과정은 아래 상세 하다.

1. Tetraoctylammonium 브 로마 이드의 109 mg, 올레산의 1 mL 및 밀폐 된 20 mL 유리병에 톨루엔의 14 mL 0.013 M 브 로마 이드 전조의 15 mL를 준비 합니다.
2. 저 어 혼합 적극적으로 실내 온도에 명확한 해결책을 얻을 때까지.
3. 처음 여 0.0021 M 세 슘 리드 전조의 48 mL 준비는 심장에 세 슘 수 산화물의 0.6 m m o l, lead(II) 산화의 0.6 m m o l과 밀폐 된 8 mL 유리병에 올레 산의 3 mL을 결합.
   1. 환기를 위한 바늘으로 심장 피어스는 기름 목욕에서 160 ° C에서 솔루션을 열 고 적극적으로 명확한 솔루션 양식 (약 15 분)까지 저 어.
   2. 유리병과 바늘 오븐에 고 1 h, 120 ° C에서 열 다음 배기 바늘 제거 이동한 야외에서 실내 온도에 냉각 솔루션을 허용 합니다.
4. 밀폐 된 50 mL 유리병에 톨루엔의 47.5 mL에 고 농도 세 슘 리드 혼합물의 0.5 mL을 추가 하 고 적극적으로 저 어.
5. 브 로마 이드 전조를 로드 하 고 그들의 각각 주사기로 세 슘 리드 전조를 희석 (3 단계 참조) 원하는 조건에서 두 선구자를 함께 흐르는 자동된 특성화 과정을 시작.
   참고: 대표 결과아래 상세한 실험에 대 한 순수한 액체 가스 캐리어 위상의 1: 1과 세 슘-이어질 브 로마 이드의 6.4:1의 체적 주입 비율 변수 전체 흐름 속도에서 사용 되었다.

3. 인터페이스 작업

참고: 데이터 수집의 전체 수행 됩니다 자동된 반응 플랫폼을 통해 사용자가 일련의 흐름 조건 테스트를 지정 후. 이 초기 입력 기간 사용자 인터페이스 운영을 위한 일반 절차 아래 자세히 나와 있습니다.

1. ( 그림 3참조) 사용자 인터페이스 전면 패널을 보려면 자동된 작업 소프트웨어를 엽니다.
2. 분석기 설정 패널을 이동 하 고 모든 입력을 작성을 시작 합니다.
   1. 원하는 데이터를 데이터 파일 루트 상자에서 폴더 저장에 대 한 파일 경로를 붙여 넣습니다.
   2. 분석기 비자, USB 연결 주소는 분석기를 선택 합니다. 분석기 USB 주소를 알 수 없는 경우 데스크톱의 장치 관리자 페이지를 통해 해당 위치를 식별 합니다.
   3. 통합 시간, 샘플 당 평균 스펙트럼의 수및 흡수 (Abs) 및 형광 (독감)에 대 한 조건 당 하기 스펙트럼의 수 를 선택 합니다. 단계에서 상세한 합성의 경우 2, 흡수에 대 한 12 ms의 통합 시간을 설정 하 고 형광 4 ms 평균 10 스펙트럼.
   4. 경우 단일 단계 흐름 특성화, 다중 위상 버튼 두고 다음 단계로 이동. 다 상 흐름 특성화, 다중 위상 버튼을 선택 하 고 약 2 완전 한 가스-액체 진동 샘플링 포인트를 전달할 수 있도록 최소 샘플 길이 설정 합니다. 다음 샘플링 창 내의 샘플의 번호 할당 합니다.
      참고: 다중 단계 내에서 샘플링 시간 해상도 흐름 제한 될 수 있습니다 분석기 설정을 사용 하 여 그리고 더 높은 해상도 요구 하는 경우 조정 필요할 수 있습니다.
3. 펌프 구성 패널을 이동 하 고 모든 입력을 작성을 시작 합니다.
   1. 주사기 1 COM, 주사기 2 COM 및 듀얼 펌프 COM 에서 모든 펌프를 USB 통신 주소를 할당 합니다. 3.2.2 주소 확인 과정에 대 한 단계를 참조 하십시오.
   2. 주사기 내부 직경, 펌프 인터페이스 또는 모든 주사기 사용에서에 대 한 주사기 매뉴얼 내 찾을 수 있습니다 설정 합니다. 구성에 대 한 기본 값에 관계 없는 주사기 직경 두고 모든 주사기를 구현 하지.
   3. 흡수 참조 스펙트럼을 수집 하는 경우 허용 되는 빈 솔루션을 식별, 연결 된 주사기로 로드 하 고 각각에 적당 한 유량 (약 300 µ L/min)를 각각 주사기를 설정 Ref 유량 상자.
4. 시스템 구성 패널을 이동 하 고 모든 입력을 작성을 시작 합니다.
   1. 단계 위치 최적화 되어 제대로 무대 위치아래에 표시 되는 경우 사용 이전 위치 버튼을 선택 하 고 단계로 이동. 단계 위치는 최적화 되지 무대 위치 창 크기를 할당 하 고.csv 벡터 파일 경로 상자를 사용 하 여 대략적인 단계 위치 (범위 내에 위치)를 연결. 0.5 m m에 단계 증가 상자와 8에 시작 패스 상자를 둡니다.
   2. 마지막 샘플링 포트에 교차점의 중심에서 원자로 세그먼트의 볼륨을 계산 하 고 시스템 볼륨 상자에 해당 값을 입력 합니다. 10 최소 평형 시간 을 두고 s.
5. 모든 입력 및 선택 하는 인터페이스의 상단에 있는 실행 버튼 왼쪽의 정확도 다시 확인 합니다.
   참고: 전면 패널에 입력 하지 변경할 수 있습니다 일단 소프트웨어의 작업을 시작 했다.
6. 참조 스펙트럼 저장 창에서 그들은 하지 것입니다 경우 예 참조 스펙트럼 저장 될 경우 또는 아니오 를 선택 합니다.
7. 유량 조건 설정 창에서 최대 30 원하는 흐름 속도 구성을 테스트 하려면, 모든 사용 되지 않는 주사기 입력을 비워 선택.
8. 확인 을 선택 하 고 시스템의 모든 원하는 조건 샘플링 되었습니다;까지 실행 허용 시스템 자체에 종료 됩니다. 시스템 어떤 이유로 중단 될 경우, 초기 정지 버튼을 선택 하 고 프로세스 종료를 허용.
   주의: 중단 사용 하 여 왼쪽 상단에 버튼 인터페이스의 허용 하지 않습니다 펌프 또는 광원, 잠재적으로 장비를 손상 또는 UV 빛 노출을 통해 중요 한 건강 위험 포즈를 종료 하는 시스템.

4. Pathlength 수정

1. 각 포트에 대 한 pathlength 보정 상관 관계를 얻으려면, 먼저 perovskites 반응 기 튜브 균일 하 게 채워질 때까지 원자로 세그먼트에 톨루엔에 분산의 안정적인 솔루션 주사.
2. 실행 흐름의 4 전체 패스에 대 한 유니폼이 솔루션에는 자동된 샘플링 과정 셀 (작업 절차에 대 한 3 단계 참조).
3. 형광 및 흡수 스펙트럼에 대 한 초기 계획 수정 적용 다음 포트 위치에 의해 패스에 대 한 전반적인 평균. 455에서 파장 농도 관하여 모든 곡선 정상화 및 485 nm 흡수와 형광 각각 ( 그림 4참조).
4. 각 포트에서 계산 정규화 요소를 사용 하 여 모든 후속 스펙트럼의 곡선을 비례.

결과

스펙트럼 샘플: 논의 미세 플랫폼을 활용, 합성 온도에 콜 로이드 반도체 나노의 nucleation 성장 단계 공부 될 수 있다 직접의 흡수 및 형광 스펙트럼의 시간 진화를 모니터링 하 여는 균일 혼합 조건 아래 형성된 된 나노입니다. 그림 5 A 3 포트 흐름 셀의 단일 패스 내에서 얻은 스펙트럼의 한 예제 집합을 보여 줍니다. 높은-품질 LED 제조, 피팅 실험적으로 검증 된 효과적인 대량 근사 모델 내에서 흡수 및 방출 밴드 갭 에너지 응용 프로그램으로 귀중 한 통찰력을 제공 하는 혼자 방출 파장 분포 것는 종합을 통해 나노 입자 크기 배포판의 지속적인 모니터링을 사용 합니다. ¹⁴ 스펙트럼의 동일한 세트는 다양 한 흐름 속도 및 반응 기 길이, 100 ms-17 분에 걸친 시간 거주에서 데이터 컬렉션에 대 한...

토론

자동 샘플링 시스템: 심사 플랫폼의 자치 운영은 중앙 제어 유한 상태 기계와 함께 수행 됩니다. 이러한 상태 간의 운동 다양 한 샘플링 조건에 걸쳐 작업에 대 한 있도록 여러 재귀 세그먼트와 순차적으로 발생 합니다. 일반적인 시스템 컨트롤 3 핵심 단계로 나눌 수 있습니다. 첫째, 시스템 시작 초기화 단계는 각 USB 제어 구성 요소를 통해 통신을 설정, 자동으로 경로 저장 하는 파일을 정의 하 고 초기 사용자 입력 메시지를 표시 합니다. 다음 프로그램까지 모두 원하는 데이터를 수집한 모든 입력된 반응 조건에 대 한 샘플링 과정을 통해 실행 합니다. 마지막으로, 종료 프로세스를 반환 합니다 모든 하드웨어 시작 위치로 스크립트 작업을 종료 하기 전에. 이 소프트웨어는 일반적인 움직임은 그림 6에 상세 하다.

포트 검색: 주요 자동화 프레임 워크 내에서 효과적이 고 효율...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
톨루엔	피셔 사이언티픽	AC364410010	99.85% 추가 분자체
올레산	시그마 알드리치	364525  ALDRICH	기술 등급 90%
수산화세슘(수중 50wt%)Sigma	Aldrich	232041 ALDRICH	50 wt% > 99.9% 미량 금속
산화납(II) 산화물	Sigma Aldrich	211907 SIGMA-ALDRICH	99.9% 미량 금속 기초
테트라오틸암모늄 브로마이드	Sigma Aldrich	294136 ALDRICH	98%
1/16" OD, 0.04" ID FEP 튜빙	MicroSolv	48410-40
1/16 "OD, 0.02"ID ETFE 튜빙
0.02 "스루 홀 PEEK 티	IDEX 건강 & 과학	P-712
1/4-28 ETFE 플랜지리스 페룰 1/16 "	IDEX 건강 & 과학	P-200N
1/4-28 엿봄 플랜지가 없는 너트 1/16"	IDEX 건강 & 과학	P-230
4방향 PEEK L-밸브	IDEX 건강 및 Science	V-100L
주사기 펌프	Harvard Apparatus	70-3007
8mL 스테인리스 스틸 주사기	Harvard Apparatus	70-2267
25mL 유리 주사기	Scientific Glass Engineering	25MDF-LL-GT
광학 브레드보드	ThorLabs	MB1224
300mm 번역 스테이지	ThorLabs	LTS300
광학 포스트	ThorLabs	TR2-4	TR2, TR3 또는 TR4
광학 포스트 홀더	ThorLabs	PH4-6	PH4 또는 PH6
365nm LED	ThorLabs	M365LP1
LED 드라이버	ThorLabs	LEDD1B
600 미크론 패치 코드	Ocean Optics	QP600-1-SR
중수소-할로겐 광원	Ocean Optics	DH-2000-BAL
소형 분광계	Ocean Optics	FLAME-S-XR1-ES
Multifuction I/O device (DAQ)	National Instruments	USB-6001
가상 계측기 소프트웨어	National Instruments	LabVIEW 2015 SP1