Een modulaire Microfluidic technologie voor systematische Studies van colloïdale Semiconductor nanokristallen

Samenvatting

Gedetailleerde hierin zijn de werking en vergadering protocollen van een modulaire microfluidic screening platform voor de systematische karakterisering van colloïdale semiconductor nanocrystal syntheses. Door middel van volledig aanpasbare systeem regeling kan hoogefficiënte spectra verzamelen over 4 ordes van grootte reactietijd schalen binnen een ruimte die massa overdracht-gecontroleerde steekproeven worden uitgevoerd.

Samenvatting

Colloïdale halfgeleider nanokristallen, bekend als quantum dots (QDs), een snel groeiende klasse van materialen in de commerciële elektronica, zoals licht uitstoten elektroluminescerende dioden en fotovoltaïsche zonne-energie (PVs). Onder deze materiaalsoorten, hebben anorganische/organische perovskites aangetoond significante verbetering en potentieel naar hoogrenderende, goedkope PV fabricage vanwege hun hoge kosten vervoerder mobiliteiten en levensduur. Ondanks de kansen voor perovskiet QDs in grootschalige PV en LED-toepassingen, heeft het gebrek aan begrip van de fundamentele en verregaande van opleidingstrajecten in hun groei geremd hun aanpassing binnen continu nanoproductie strategieën. Screening van traditionele kolf gebaseerde benaderingen zijn over het algemeen duur, arbeidsintensief en onnauwkeurig voor effectief het karakteriseren van de brede parameter ruimte en synthese verscheidenheid relevante colloïdale QD reacties. In dit werk, is een volledig autonome microfluidic platform ontwikkeld om systematisch het bestuderen van de ruimte van de grote parameter de colloïdale synthese van nanokristallen in een continue stroom-indeling is gekoppeld. Door de toepassing van een roman die drie-poort stroom cel en modulaire reactor extensie eenheden vertalen, kan het systeem snel Verzamel fluorescentie- en absorptiespectra uit de reactor lengtes variërend van 3-196 cm. De verstelbare reactor lengte niet alleen de verblijftijd van de snelheid-afhankelijke massaoverdracht loskoppelt, het verbetert ook aanzienlijk de samplingfrequenties en chemische consumptie als gevolg van de karakterisering van 40 unieke spectra binnen één geëquilibreerd systeem. Bemonsteringsfrequenties oplopen tot maximaal 30.000 unieke spectra per dag, en de voorwaarden omvatten 4 ordes van grootte in residentie tijden variërend van 100 ms - 17 min. Verdere toepassingen van dit systeem zou aanzienlijke verbetering van de snelheid en nauwkeurigheid van de materiële ontdekking en screening in de toekomst studies. Gedetailleerde in dit verslag zijn de systeem materialen en assemblage protocollen met een algemene beschrijving van de geautomatiseerde bemonstering software en off line verwerking van de gegevens.

Inleiding

De komst van halfgeleider nanokristallen, met name quantumdots, heeft gedreven aanzienlijke vooruitgang in elektronische materialen onderzoek en productie. Quantum dot LEDs¹ , al zijn doorgevoerd in de handel verkrijgbare "QLED" wordt bijvoorbeeld weergegeven. Meer recentelijk onder deze klasse van halfgeleiders, perovskites aanleiding hebben gegeven tot aanzienlijke belangstelling en onderzoek naar hoogrenderende en goedkope PV technologieën. Sinds de eerste demonstratie van een PV perovskiet gebaseerde in 2009,² het omzettingsrendement van lab-schaal macht van zonnecellen perovskiet gebaseerde toegenomen tempo door een ongeëvenaarde door alle PV-technologie in de geschiedenis. ^{3 , 4} naast de drijvende belangstelling perovskiet gebaseerde PVs, een verscheidenheid van recente methoden met een beschrijving van de facile colloïdale synthese van perovskiet nanokristallen hebben de gelegenheid geschapen voor goedkope, oplossing-fase verwerking van perovskiet QDs in commerciële elektronica. ^{5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14}

In het streven naar grootschalige nanoproductie van colloïdale perovskiet QDs, een beter fundamenteel begrip van de nanocrystal groei trajecten en een effectieve controle van de reactie voorwaarden moeten eerst worden ontwikkeld. Echter hebben traditioneel bestaande studies van deze processen vertrouwd op flask gebaseerde benaderingen. Batch synthese strategieën presenteren een aantal inherente beperkingen in termen van materiële karakterisering en productie, maar het belangrijkst is, kolf gebaseerde technieken zijn uiterst inefficiënt bij bevolkingsonderzoek tijd en voorloper consumptie, en tonen kolf massaoverdracht grootte-afhankelijke eigenschappen die de synthese consistentie remmen. ¹⁵ effectief studeren de trajecten van de groei van colloïdale halfgeleider nanokristallen over de grote verscheidenheid van gerapporteerde syntheses procedures en binnen de brede relevante monster-ruimte, een meer efficiënte techniek van de screening is vereist. In de afgelopen twee decennia, een reeks microfluidic strategieën hebben ontwikkeld voor studies van colloïdale nanokristallen leveraging de aanzienlijk lagere chemische consumptie, de toegankelijkheid van high-throughput screeningmethoden en het potentieel voor een proces controle uitvoering in continue synthese systemen. ^{12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20}

In dit werk rapporteren we het ontwerp en de ontwikkeling van een geautomatiseerd microfluidic-platform voor de high-throughput in situ studies van colloïdale halfgeleider nanokristallen. Een roman vertalen stroom cel, een zeer modulair ontwerp en de integratie van off-the-shelf buisvormige reactoren en fluidic verbindingen vormen een unieke en flexibele herconfigureerbare platform met directe toepassingen in de ontdekking, screening en optimalisatie van colloïdale nanokristallen. Inspelend op het translationeel vermogen van onze detectie-techniek (dat wil zeggen, een drie-poort stroom cel) voor de eerste keer, wij laten zien dat de systematische ontkoppeling van mengen en reactie tijdschalen, terwijl het tegelijkertijd het verbeteren van de bemonstering efficiëntie en collectie tarieven over traditionele stationaire flow cel benaderingen. Het gebruik van dit platform kan de hoge gegevensdoorvoer en nauwkeurige band-gap engineering van colloïdale nanocrystal syntheses richting continu nanoproductie strategieën.

Protocol

1. reactor vergadering

Figuur 1 . Stap voor stap illustratie van een monster platform assemblage proces. De panelen toont een stap voor stap illustratie van een monster platform assemblage proces waarin (i) de eerste rangschikking van het stadium van de vertaling en de optische functionarissen op de montage brood breed, (ii) de montage van de voorloper buis montage fase en de stroom cel op optische posten, (iii) de bevestiging van de microfluidic slang naar de aangepaste Kruis-kruising die onder doorzichtigheid te onthullen stroom trajecten, (iv) het veilig stellen van de voorloper slang terwijl gelijktijdig de positie van de eerste eenheid van de steekproef, (v) de daaropvolgende aansluiting van extra proefvlakken met de slang van de reactor doorlopen elke module, (vi) het traject van de buis van de reactor extensie eenheden en (vii) het veilig stellen van de eenheid van de uiteindelijke steekproef ter ondersteuning van de structuur en de optische posten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Opmerking: Als gevolg van de brede waaier van mogelijke configuraties, de exacte montage proces van het microfluidic platform kan variëren; echter, de algemene methoden zijn hetzelfde voor alle regelingen. Gedetailleerde hieronder en in Figuur 1 is het proces van de montage platform voor een twee-voorloper, multi-phase flow-formaat met een eenmalige verlenging eenheid na de poort 14^th bemonstering.

1. Beveilig de fase van de vertaling en post houders om het optische breadboard. De toneel- en stroom-cel voor de montage voor junction verbinden met de posten en zet ze vast aan het platform.
2. De draad van de reactor buizen en voorloper feed lijnen naar de aangepaste Kruis-junctie en de slang via de kanalen in de verhoogde fase voeden. Zorg ervoor dat elk segment van de buis wordt verlaagd tot een lengte die de respectieve spuit pomp of collectie flacon comfortabel kan bereiken.
3. De eerste bemonstering poort apparaat aansluiten op de kruising fase en zet vast de cover lijn voorloper naar de fase van verhoogde montage, beveiligen van alle buisvormige onderdelen en de eerste eenheid van de steekproef in plaats.
4. Voeg extra modulaire reactor eenheden toe door het uitvoeren van de reactor slang via de gewenste component en de segmenten verbinden met de rest van de geassembleerde structuur. Bouwen uit de eenheden van de kruising totdat de gewenste lengte en de rangschikking wordt verkregen.
   Opmerking: De reactor-buis moet stevig passen binnen elke eenheid. Vervormingen in de buis (stretching, crimping, etc.) heeft grote invloed op de sterkte van het optische signaal.
5. Zet vast de draagstructuur aan de uitlaat van het laatste segment van de bemonstering en het veiligstellen van de steun aan de optische berichten verbonden met het breadboard.
6. De feed lijnen van de stroomsysteem verbinden met de computer-gestuurde injectiespuit pompen en de reactor outlet worden meegenomen bij een stikstof gas onder druk (~ 12 psig) collectie flacon.
7. 3 fiber optic patch snoeren sluit aan op de poorten van de cel 3 stroom en hechten de tegenovergestelde einden aan de spectrometer, LED, en de lichtbron deuterium-hallogeen (DH) respectievelijk. Ervoor zorgen dat de kabels kunnen te bewegen soepel met de volledige lengte van de etappe van de vertaling en zonder alle geen onnodige spanning op hun verbinding met de stroom cel te voltooien Platformvergadering (zoals weergegeven in Figuur 2).

2. voorloper voorbereiding

Opmerking: De reactie screening systeem kan worden toegepast op de synthese van verschillende colloïdale halfgeleider nanokristallen; echter, met het oog op platform ontwikkelings- en valideringsfase, een CsPbBr₃ perovskiet synthese, aangepast van Wei et al. ⁶ beter aanpassen aan stroom analyses, werd gebruikt als een case-study-reactie. Het voorbereidingsproces voorloper is hieronder.

1. 15 mL 0.013 M bromide voorloper voor te bereiden door het combineren van 109 mg tetraoctylammonium bromide (en), 1 mL oliezuur en 14 mL tolueen in een gesloten flesje van 20 mL.
2. Roer het mengsel krachtig bij kamertemperatuur tot een duidelijke oplossing wordt verkregen.
3. Bereiden van 48 mL van 0.0021 M voorloper van het cesium-voorsprong door eerste 0,6 mmol cesium natriumhydroxide, 0,6 mmol lead(II) oxide en 3 mL oliezuur in een verzegelde 8-mL flesje te combineren met een tussenschot.
   1. Het septum te doorboren met een naald voor ventilatie en verwarm de oplossing bij 160 ° C in een oliebad en krachtig roer het tot een duidelijke oplossing vormen (ongeveer 15 minuten).
   2. De flacon en naald verplaatsen naar de oven en verwarm ze bij 120 ° C gedurende 1 uur, de ontluchting naald haal hem eruit en laat de oplossing afkoelen tot kamertemperatuur in open lucht.
4. Voeg 0,5 mL van het mengsel van de cesium-lead hoge concentratie aan 47.5 mL tolueen in een verzegelde 50 mL flesje en roer krachtig.
5. Laden van de voorloper van bromide (en) en Verdun de voorloper van het cesium-lood in hun respectieve spuiten en beginnen met het proces van geautomatiseerde karakterisering door stromen van de twee voorlopers samen op de gewenste voorwaarden (zie stap 3).
   Opmerking: Voor de experimenten gedetailleerde onder Vertegenwoordiger resultaten, volumetrische injectie verhoudingen van 6.4:1 van cesium-voorsprong naar bromide (en) en 1:1 van vervoerder gasfase tot netto vloeistof werden gebruikt op variabele totale debiet.

3. de interface gebruiken

Opmerking: Het geheel van de gegevensverzameling wordt uitgevoerd via het platform van de geautomatiseerde reactie nadat de gebruiker een reeks van stromingscondities geeft te beproeven. De algemene procedures voor het bedienen van de gebruikersinterface tijdens deze beginperiode input zijn hieronder.

1. Open de software automatische bewerking om de user interface voorkant (afgebeeld in Figuur 3) weer te geven.
2. Ga naar het instellingenpaneel van Spectrometer en beginnen vullen alle ingangen.
   1. Plak het bestandspad voor de gewenste gegevens opslaan map in het vak bestand root voor gegevens .
   2. Selecteer onder Spectrometer visum, het adres van de USB-verbinding voor de spectrometer. Als de spectrometer USB adres niet bekend is, haar locatie via de desktop Device Manager pagina aangeven.
   3. Selecteer de tijd van de integratie, het aantal spectra gemiddelde per monsteren het aantal spectra opslaan per voorwaarde voor zowel absorptie (Abs) en fluorescentie (griep). In het geval van de synthese gedetailleerd beschreven in stap 2, stel een tijd van de integratie van 12 ms voor de absorptie en 4 ms voor de fluorescentie gemiddeld meer dan 10 spectra.
   4. Als karakteriseren Enkelfasige stroom, gaan naar de volgende stap, verlaten de meerfasige knop uit. Als het karakteriseren van multi-phase flow, meerfasige selecteren en instellen van de lengte minimaal een steekproef , zodat ongeveer 2 compleet gas-vloeistof oscillaties laatstgenoemde deze het monsterpunt doorgeven kunnen. Wijs het aantal monsters te nemen binnen dat venster bemonstering.
      Opmerking: De sampling tijd-resolutie binnen een multi-phase flow kan worden beperkt door de spectrometer-instellingen en aanpassingen kunnen nodig zijn als op zoek naar een hogere resolutie.
3. Ga naar het deelvenster pomp configuratie en beginnen vullen alle ingangen.
   1. Onder spuit 1 COM, spuit 2 COM, en Dubbele pomp COM, kunt u het USB-communicatie adressen toewijzen door alle pompen. Zie stap 3.2.2 voor het proces van identificatie.
   2. Stel de spuit innerlijke diameters, die kan worden gevonden op de pomp-interface of binnen de spuit handboeken, voor alle spuiten in gebruik. Voor configuraties niet ten uitvoer leggen van alle spuiten, laat de vreemde spuit diameters op de standaardwaarden.
   3. Als referentie absorptiespectra verzamelen, identificeren een aanvaardbare blanco-oplossing, laden in een bijgevoegde spuit en stelt u de respectieve injectiespuit op een gematigde debiet (ongeveer 300 µL/min) in de respectieve Ref debiet vak.
4. Ga naar het systeemconfiguratie scherm en beginnen met het vullen van alle ingangen.
   1. Als de fase-locaties zijn geoptimaliseerd en goed onder podium posities weergegeven worden, de vorige positie selecteren en verplaatsen naar de volgende stap. Als de fase-locaties zijn niet geoptimaliseerd, toewijzen van een fase positie window-grootte en koppelen de posities van de geschatte fase (binnen het positiebereik) met behulp van een CSV-vector en het vak bestandspad . Laat het vak fase increment op 0.5 mm en het vak Opstarten stadia op 8.
   2. Berekenen van het volume van het segment van de reactor vanuit het midden van de kruising op de definitieve bemonstering poort en ingang die waarde in het vak van het systeemvolume . Laat de Minimumtijd evenwicht op 10 s.
5. Controleer of de nauwkeurigheid van alle ingangen en selecteer de knop draaien in de top links van de interface.
   Opmerking: Ingangen op het voorpaneel kunnen niet worden gewijzigd zodra de software is begonnen met de werking ervan.
6. Selecteer Ja als de referentie-spectra worden opgeslagen of Nee als ze niet in het venster Save referentie spectra .
7. Selecteer in het venster instellen van voorwaarde debiet maximaal 30 gewenste stroom tarief configuraties te testen, alle ingangen van de ongebruikte spuit leeg te laten.
8. Selecteer OK en laat het systeem uit te voeren totdat alle gewenste voorwaarden hebt zijn bemonsterd; het systeem wordt afgesloten op eigen. Als het systeem worden gestopt moet, selecteert u de knop stoppen vroeg en laat het proces af te sluiten.
   Let op: Gebruik de Abort toestaat knop op de linkerbovenhoek van de interface niet het systeem afsluiten van de pompen of lichtbronnen, mogelijk beschadiging van de apparatuur en/of een belangrijke gezondheid risico via blootstelling aan UV licht.

4. Pathlength correcties

1. Voor het verkrijgen van de correlatie van de correctie pathlength voor elke poort, injecteren eerst een stabiele oplossing van perovskites verspreid in tolueen in het segment van de reactor totdat de reactor buis gelijkmatig is gevuld.
2. Run het proces geautomatiseerd bemonstering op deze uniforme oplossing voor 4 volledige doorgangen van de stroom cel (zie stap 3 voor de operatie procedure).
3. Toepassen van basislijn correcties voor zowel fluorescentie- en absorptiespectra, dan gemiddelde over het geheel genomen voor de passen door haven locatie. Normaliseren alle krommen met betrekking tot de intensiteiten van de golflengte op 455 nm en 485 nm voor absorptie en fluorescentie respectievelijk (Zie Figuur 4).
4. Gebruik de normalisatie factor berekend in elke haven aan de rondingen van alle daaropvolgende spectra proportioneel te schalen.

Resultaten

Sample spectra: Gebruik makend van de besproken microfluidic platform, de nucleatie en groei stadia van colloïdale halfgeleider nanokristallen op de temperatuur van de synthese kunnen rechtstreeks bestudeerd worden door het toezicht op de tijdsevolutie van de absorptie en fluorescentie spectra van de gevormde nanokristallen onder uniforme voorwaarden te mengen. Figuur 5 A toont een reeks voorbeeld van spectra verkregen binnen...

Discussie

Geautomatiseerde monsternemingssysteem voor: De autonome werking van het platform van de screening wordt uitgevoerd met een eindige toestandsmachine centrale controle. Verkeer tussen deze Staten treedt op opeenvolgend met verschillende recursieve segmenten toe voor de bewerking over een wisselend aantal monsterneming. De besturingselementen van het algemeen stelsel kunnen worden onderverdeeld in 3 fasen van de kern. Ten eerste, het systeem begint met een initialisatie stap, waarmee communicatie via elke ...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Tolueen	Fisher Scientific	AC364410010	99,85% extra over moleculaire zeef
Oleaanzuur	Sigma Aldrich	364525 ALDRICH	technische kwaliteit 90%
Cesiumhydroxide (50 wt% in water)	Sigma Aldrich	232041 ALDRICH	50 wt% in water > 99,9% sporenmetalen
Lood(II)oxide	Sigma Aldrich	211907 SIGMA-ALDRICH	> 99,9% sporenmetalen basis
Tetraoctylammoniumbromide	Sigma Aldrich	294136 ALDRICH	98%
1/16" OD, 0,04" ID FEP-buis	MicroSolv	48410-40
1/16" OD, 0,02" ID ETFE-buis	MicroSolv	48510-20
0,02" doorgang PEEK-T-stuk	IDEX Health & Science	P-712
1/4-28 ETFE flensloze ring voor 1/16"	IDEX Health & Science	P-200N
1/4-28 PEEK flensloze moer voor 1/16"	IDEX Health & Science	P-230
4-weg PEEK L-klep	IDEX Health & Science	V-100L
Spuitpomp	Harvard Apparatus	70-3007
8 mL roestvrijstalen spuit	Harvard Apparatus	70-2267
25 mL glazen spuit	Scientific Glass Engineering	25MDF-LL-GT
Optisch breadboard	ThorLabs	MB1224
300 mm vertaaltafel	ThorLabs	LTS300
Optische post	ThorLabs	TR2-4	TR2, TR3, of TR4
Optische posthouder	ThorLabs	PH4-6	PH4 of PH6
365 nm LED	ThorLabs	M365LP1
LED-driver	ThorLabs	LEDD1B
600 micron patchkabel	Ocean Optics	QP600-1-SR
Deuterium-halogeen lichtbron	Ocean Optics	DH-2000-BAL
Miniatuurspectrometer	Ocean Optics	FLAME-S-XR1-ES
Multifunctioneel I/O-apparaat (DAQ)	National Instruments	USB-6001
Virtuele instrumentsoftware	National Instruments	LabVIEW 2015 SP1