Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Модульная технология Microfluidic для систематического исследования коллоидных полупроводниковых нанокристаллов

9.2K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/57666

⸱

10 мая 2018 г.

 ,  ,  , 
1Chemical and Biomolecular Engineering, North Carolina State University, 2Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology

В этой статье

Краткое содержание

Подробно здесь являются протоколы операции и Ассамблеи Модульная microfluidic скрининг платформы для систематического описания синтезов коллоидных полупроводниковых Нанокристаллические. Благодаря полностью регулируемой системы механизмов высокоэффективных спектры коллекции может осуществляться через время реакции Весы 4 порядков в массовых передачи контролируемых выборки пространстве.

Аннотация

Коллоидный полупроводниковых нанокристаллов, известный как квантовых точек (QDs), являются быстро растущего класса материалов в коммерческих электроники, таких как свет излучающие диоды (СИД) и фотоэлектрические (PV). Среди этой группе материалу органических/неорганических перовскитов продемонстрировали значительное улучшение и потенциал к высокой эффективности, низкой стоимости PV производство из-за их высокой обязанности перевозчика подвижности и жизни. Несмотря на возможности для перовскита QDs в крупномасштабных приложений PV и светодиодные отсутствие понимания фундаментальных и всеобъемлющих путей их роста препятствует их адаптации в рамках непрерывной nanomanufacturing стратегии. Традиционные на основе колбу скрининг подходы, как правило, дорогих, трудоемкий и неточные эффективно характеризующих широкий параметр пространства и синтез различных отношение к коллоидных QD реакций. В этой работе полностью автономные microfluidic платформа разработана систематически изучать пространство большой параметр, связанный с коллоидного синтеза нанокристаллов в виде непрерывного потока. Путем применения Роман перевод трех порт потока ячеек и модулей расширения модульного реактора система может быстро собирать флуоресценции и спектров поглощения через реактор длины в диапазоне 3-196 см. Длина регулируемый реактор не только отделяет время пребывания от массообмена зависит от скорости, также существенно улучшает дискретизации и химического потребления из-за характеристик 40 уникальных спектров в единый уравновешенной системы. Дискретизации может достигать до 30000 уникальных спектры в день, и условия охватывают 4 порядков в резиденции раз начиная 100 мс - 17 мин. Дальнейшее применение этой системы будет существенно улучшить скорость и точность материала обнаружения и проверки в будущем исследования. Подробно в настоящем докладе, являются материалы системы и протоколы Ассамблеи с общее описание автоматической выборки программного обеспечения и его автономной обработки данных.

Введение

С появлением полупроводниковых нанокристаллов, особенно квантовых точек, загнал значительный прогресс в электронных материалов исследований и производства. Например Квантовая точка светодиоды1 уже были реализованы в коммерчески доступных «QLED» отображается. Совсем недавно среди этого класса полупроводников, перовскитов вызвали значительный интерес и исследований к высокой эффективности и низкой стоимости Фотоэлектрических технологий. С первой демонстрации на основе перовскита PV в 2009 году,2 лаборатории шкалы эффективности преобразования энергии на основе перовскита солнечных батарей возросло со скоростью беспрецедентную любой Фотоэлектрической технологии в истории. 3 , 4 в дополнение к управляя интерес на основе перовскита PVs, целый ряд недавних методы описания снисходительный коллоидного синтеза перовскита нанокристаллов создали возможность для лоу кост, решение фаза обработки перовскита QDs в коммерческие электроника. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14

В усилиях на пути крупномасштабной nanomanufacturing коллоидных перовскита QDs сначала должны разрабатываться более глубокого понимания путей роста Нанокристаллические и эффективный контроль условий реакции. Однако существующие исследования этих процессов традиционно полагались на подходы, основанные на колбу. Пакетный синтеза стратегии представляют различные внутренние ограничения с точки зрения характеристик материала и производства, но наиболее значительно, методы, основанные на колбу крайне неэффективно в скрининг затраты времени и прекурсоров и продемонстрировать настой массообмена зависит от размера свойства, которые ингибируют синтез последовательности. 15 эффективно изучить пути роста коллоидных полупроводниковых нанокристаллов через большое разнообразие процедур сообщили синтезы и в рамках широкого соответствующих образцов пространства, более эффективный способ проверки не требуется. За последние два десятилетия, спектр microfluidic стратегии были разработаны для исследования коллоидных нанокристаллов, используя значительно меньше химического потребления, доступность методов высокопроизводительного скрининга и потенциал для процесс реализации элемента управления в системах непрерывного синтеза. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20

В этой работе мы сообщаем, Дизайн и разработка автоматизированных microfluidic платформа для высокой пропускной способности в situ исследования коллоидных полупроводниковых нанокристаллов. Роман перевод потока клеток, высоко модульный дизайн и интеграция готовых трубчатые реакторы и оптимизированных соединения образуют уникальный и адаптируемая реконфигурируемая платформа с прямого применения в открытие, скрининг и оптимизации коллоидный нанокристаллов. Опираясь на поступательной возможности нашей методики обнаружения (например, ячейка 3 портовый потока), в первый раз, мы демонстрируем, систематическое разделение смешивания и реакция сроками, одновременно улучшая выборки показатели эффективности и коллекции над традиционными стационарный поток ячейки подходы. Использование этой платформы позволяет высокой пропускной способностью и точные зазор полосы инженерных синтезов коллоидных Нанокристаллические к непрерывной nanomanufacturing стратегии.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. реактор Ассамблея

figure-protocol-1
Рисунок 1 . Пошаговые иллюстрации процесса сборки платформы образца. Панели показывает Пошаговые иллюстрации процесса сборки платформы образца, детализируя (i) первоначального расположения стадии перевода и оптических Почтовые держатели на монтаж хлеб широкого, (ii) монтаж трубки прекурсоров монтажа стадии и потока ячейки на оптических должности, (iii) вложение microfluidic труб для пользовательских кросс Джанкшн, которая находится под прозрачности выявить пути потока, (iv) обеспечение прекурсоров трубы одновременно позиционируя первый единицы выборки, (v) последующее подключение дополнительных выборочных единиц с трубы реактора, проходят через каждый модуль, модулей расширения (vi) путь трубы реактора и (vii) обеспечение окончательной выборки подразделения для поддержки структуры и оптические должностей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Примечание: Из-за широкого спектра возможных конфигураций, точное Ассамблеи процесс microfluidic платформа может варьироваться; Однако общие методы одинаковы для всех механизмов. Подробно ниже и на рисунке 1 является процесс сборки платформы для формата двух прекурсоров, многофазных потоков с блоком одного расширения после 14й выборки порта.

  1. Обеспечения на этапе перевода и после Держатели для оптических макетов. Подключите Джанкшен монтажа стадии и потока ячейки на должности и прикрепите их к платформе.
  2. Проволока, трубы реактора и прекурсоров кормить линий до пользовательских кросс соединения и подачи труб через каналы в стадии поднял. Убедитесь, что каждый сегмент трубы разрезается до длины, которая может легко добраться до соответствующих шприц насоса или коллекции флакона.
  3. Подключите первый порт единицы выборки на стыке сцену и закрепите крышку линии прекурсор к стадии поднял монтаж, обеспечение все трубчатые компоненты и первый блок выборки в месте.
  4. Добавление дополнительных модульных реакторов, запустив реактора трубки через нужного компонента и соединительные сегменты к остальной части собраны структуры. Построить единиц от развязки до нужной длины и получается договоренности.
    Примечание: Трубы реактора должны быть плотно в рамках каждого подразделения. Деформации труб (растяжение, опрессовки, и т.д.) существенно влияют на оптического сигнала.
  5. Закрепите структуры поддержки на выходе из последнего сегмента выборки и заручиться поддержкой на оптических должности, подключенных к макетов.
  6. Подключите линии подачи потока системы с компьютерным управлением шприц насосов и кормов на выходе реактора во флакон коллекции азота газом под давлением (~ 12 psig).
  7. Подключите 3-волоконно оптические патч-корды к портам 3 потока клеток и придаем противоположных концах спектрометр, LED и источник света дейтерия галогенные (DH) соответственно. Убедитесь, что кабели имеют возможность двигаться плавно с полной длиной этапа перевода и без каких-либо ненужных нагрузку на их связь с ячейкой потока завершить сборку платформы (как показано на рис. 2).

2. предшественник подготовка

Примечание: Реакция, скрининг системы могут быть применены к синтез различных коллоидных полупроводниковых нанокристаллов; Однако, для целей платформы разработки и проверки, CsPbBr синтез3 перовскита, адаптированный Wei et al. 6 лучше подходят для анализа потоков, использовался в качестве тематического исследования реакции. Ниже подробно процесс подготовки прекурсоров.

  1. Подготовка 15 мл 0,013 М бромид прекурсоров путем объединения 109 мг tetraoctylammonium бромид, 1 мл олеиновой кислоты и 14 мл толуола в запечатанном 20-мл флаконе.
  2. Перемешайте смесь энергично при комнатной температуре до тех пор, пока получено четкое решение.
  3. Подготовить 48 мл 0,0021 М цезия ведущий прекурсоров сначала объединения 0,6 ммоль гидроксида цезия, 0,6 ммоль окиси lead(II) и 3 мл олеиновой кислоты в запечатанном 8-мл флаконе с перегородки.
    1. Проколоть перегородки с иглой для вентиляции и тепла раствор при 160 ° C в масляной ванне и энергично размешивают до четкое решение формы (примерно 15 минут).
    2. Переместить флакона и иглы в духовке и тепло их на 120 ° C в течение 1 ч, затем удалите вентиляции иглу и позволяют решение остыть до комнатной температуры на открытом воздухе.
  4. Добавить 0,5 мл смеси высокой концентрации цезия свинца 47,5 мл толуола в запечатанном 50-мл флаконе и размешивать энергично.
  5. Загрузить бромид прекурсоров и разбавить цезия ведущий прекурсоров в их соответствующих шприцы и начать процесс автоматизированного характеристика путем пропускать совместно два прекурсоров на желаемых условий (см. шаг 3).
    Примечание: Для экспериментов, подробно под Представитель результаты, объемные инъекций соотношения 6.4:1 цезия ведущим метилу и 1:1 из газовой фазы несущей к чистой жидкости были использованы в переменной общий дебит.

3. интерфейс операции

Примечание: Полностью сбор данных осуществляется через платформу автоматизированного реакции после того, как пользователь определяет ряд условий потока для проверки. Общие процедуры для работы пользовательского интерфейса в этот начальный период ввода описаны ниже.

  1. Откройте программное обеспечение автоматической операции для просмотра пользовательский интерфейс передней панели (показано на рис. 3).
  2. Перейти к панели настроек спектрометр и начать заполнение всех входов.
    1. Вставьте путь к файлу для нужных данных, сохранение папки в поле корневой файл данных .
    2. В разделе Спектрометр VISAвыберите адрес подключения USB для спектрометра. Если не известен адрес USB спектрометр, определите его местоположение через страницы Диспетчер устройств рабочего стола.
    3. Выберите время интеграции, количество спектров в среднем на сэмпли количество спектры для сохранения за условие для поглощения (Abs) и флуоресценции (грипп). В случае синтеза, подробно описанные в шаге 2, задать время интеграции 12 мс для поглощения и 4 мс для флуоресценции в среднем более 10 спектров.
    4. Если характеризующие однофазного потока, перейти к следующему шагу, оставляя многофазных кнопку. Если характеризующие многоэтапная поток, выберите кнопку многофазных и установка минимальной выборке длины , так что примерно 2 полный газ жидкость колебания могут пройти точку выборки. Затем назначьте количество образцов принять в этом окне выборки.
      Примечание: Время дискретизации в многофазных потоков может быть ограничена параметров спектрометра, и корректировки могут быть необходимы, если ищет более высокое разрешение.
  3. Перейти к панели насоса конфигурации и начать заполнение всех входов.
    1. COM 1 шприц, шприц 2 COM, и Двойной насос COM, назначьте адреса USB связь всех насосов. Смотрите Шаг 3.2.2 для процесса идентификации адреса.
    2. Установите шприц внутренних диаметров, которая может быть найдена на интерфейсе насоса или в шприц руководства, для всех шприцов в использовании. Для конфигураций не выполняют все шприцы, оставьте диаметров посторонних шприц на значения по умолчанию.
    3. Если сбор справочных спектров поглощения, определить приемлемое пустое решение, загрузить ее в прилагаемый шприц и установить соответствующие шприц для умеренного расхода (примерно 300 мкл/мин) в соответствующих поле Ref скорость потока .
  4. Перейти к панели настройки системы и начать заполнение всех входов.
    1. Если этап места были оптимизированы и правильно отображаются под стадии позиции, нажмите кнопку использовать предыдущую позицию и перейти к следующему шагу. Если этап места не были оптимизированы, назначить размер окна позиция этап и связать приблизительное стадии позиции (в диапазоне позиции) с использованием вектора .csv и поле путь к файлу . Оставьте поле этап приращение на 0,5 мм и окно Запуска проходит в 8.
    2. Рассчитать объем сегмента реактора от центра перекрестка в порт окончательный отбор проб и введите это значение в поле системного тома . Оставьте минимум равновесия время 10 s.
  5. Проверьте точность всех входов и выберите кнопку выполнить в верхней левой части интерфейса.
    Примечание: Материалы на передней панели не могут изменяться после начала его функционирования программного обеспечения.
  6. В окне сохранить ссылку спектры выберите Да если спектры ссылки будут сохранены или нет , если они не будут.
  7. В окне задать условие расхода выберите до 30 желаемого потока скорость конфигураций для тестирования, оставив все неиспользуемые шприц входы пустым.
  8. Выберите OK и система будет функционировать до тех пор, пока все желаемых условий были отобраны образцы; Система выключается самостоятельно. Если система должна быть остановлена по любой причине, выберите кнопку остановить рано и позволяет процессу завершить работу.
    Предупреждение: Использование прервать кнопки в верхнем левом углу интерфейса не позволит системе закрыть насосов или источников света, потенциально повреждения оборудования и/или создает серьезную опасность для здоровья через под действием ультрафиолетовых лучей.

4. Pathlength исправления

  1. Чтобы получить pathlength коррекции корреляции для каждого порта, впервые внедрить стабильное решение перовскитов рассеиваются в толуоле в сегменте реактора до тех пор, пока равномерно заполнить трубы реактора.
  2. Запустить процесс автоматической выборки на этом единообразное решение для 4 полного пропуска потока клеток (см. шаг 3 для функционирования процедуры).
  3. Применить базовые исправления для флуоресценции и спектров поглощения, а затем в целом средняя для проходит от порта местоположения. Нормализовать все кривые отношению интенсивностей волны на 455 Нм и 485 Нм для поглощения и флуоресценции соответственно (см. Рисунок 4).
  4. Использование нормализации коэффициент, рассчитываемый в каждом порту пропорционально масштабировать кривые всех последующих спектров.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Образец спектров: Используя обсуждались microfluidic платформа, стадии зарождения и роста коллоидных полупроводниковых нанокристаллов при температуре синтез можно непосредственно изучить путем наблюдения за время эволюция спектров поглощения и флуоресценции сформированные нанокристаллов под форму смешивания условий. Рисунок 5 A показывает пример набора спектров, полученных в один проход 3 портовый потока ячейки. В то время ка...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Автоматизированная система отбора проб: Автономная операция проверки платформы осуществляется с центрального управления конечного автомата. Передвижение между этими государствами происходит последовательно с несколькими сегментами рекурсивных для проведения операции через ряд различных условий выборки. Общая система управления можно разделить на 3 основных этапов. Во-первых система начинается с инициализации шага, который устанавливает связи через каждый USB-контролируемых компонентов, автоматически опре...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Университет штата Северная Каролина подал предварительный патент (#62/558,155) на обсуждаемых microfluidic платформа.

Благодарности

Авторы с благодарностью признаем финансовую поддержку, оказываемую университета штата Северная Каролина. Милад Abolhasani и Роберт W. ЭПТ с благодарностью признаем финансовой поддержке гранта UNC исследований возможностей инициативы (КООН-ROI).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ТолуолFisher ScientificAC364410010на 99,85% больше над молекулярными ситами
Олеиновая кислотаSigma Aldrich364525  ALDRICHтехнический 90%
Цезия гидроксид (50 мас.% в воде)Sigma Aldrich232041 ALDRICH50 мас.% в воде > 99,9% микропримесей металлов
Оксид свинца (II)Sigma Aldrich211907 SIGMA-ALDRICH99,9% микрометаллов на основе
тетраоктиламмониябромид Sigma Aldrich294136 ALDRICH98%
1/16" OD, 0,04" ID FEP трубкаMicroSolv48410-40
1/16" OD, 0,02" ID ETFE трубкаMicroSolv48510-20
0,02" сквозное отверстие PEEK TeeIDEX Health & ScienceP-712
1/4-28 ETFE бесфланцевый наконечник для 1/16"IDEX Health & ScienceP-200N
1/4-28 Бесфланцевая гайка PEEK для 1/16"IDEX Health & ScienceP-230
4-ходовой клапан PEEK L-образный IDEXHealth & ScienceV-100L
Шприцевой насосHarvard Apparatus70-3007
8 мл шприц из нержавеющей сталиHarvard Apparatus70-2267
25 мл стеклянный шприцScientific Glass Engineering25MDF-LL-GT
Оптическая макетная платаThorLabsMB1224
300 мм ступень для переводаThorLabsLTS300
Оптический столбThorLabsTR2-4TR2, TR3 или TR4
Оптический держательстолба ThorLabsPH4-6PH4 или PH6
365 нм светодиодThorLabsM365LP1
светодиодный драйверThorLabsLEDD1B
600 микрон патч-кордOcean OpticsQP600-1-SR
Дейтерий-галогенный источниксветаОптика океанаDH-2000-BAL
Миниатюрный спектрометрОптика океанаFLAME-S-XR1-ES
Многофункциональное устройство ввода-вывода (DAQ)National InstrumentsUSB-6001
Программное обеспечение виртуального прибораNational InstrumentsLabVIEW 2015 SP1
>

Ссылки

  1. Tan, Z. -K., Moghaddam, R. S., et al. Bright light-emitting diodes based on organometal halide perovskite. Nature Nanotechnology. 9 (9), 687-692 (2014).
  2. Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. Journal of the American Chemical Society. 131 (17), 6050-6051 (2009).
  3. Huang, H., Bodnarchuk, M. I., Kershaw, S. V., Kovalenko, M. V., Rogach, A. L. Lead halide perovskite nanocrystals in the research spotlight: stability and defect tolerance. ACS Energy Letters. 2 (9), 2071-2083 (2017).
  4. Grätzel, M. The light and shade of perovskite solar cells. Nature Materials. 13, 838(2014).
  5. Schmidt, L. C., Pertegás, A., et al. Nontemplate synthesis of CH3NH3PbBr3 perovskite nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 136 (3), 850-853 (2014).
  6. Wei, S., Yang, Y., Kang, X., Wang, L., Huang, L., Pan, D. Room-temperature and gram-scale synthesis of CsPbX3 (X = Cl, Br, I) perovskite nanocrystals with 50-85% photoluminescence quantum yields. Chemical Communications. 52 (45), 7265-7268 (2016).
  7. Vybornyi, O., Yakunin, S. V., Kovalenko, M. Polar-solvent-free colloidal synthesis of highly luminescent alkylammonium lead halide perovskite nanocrystals. Nanoscale. 8 (12), 6278-6283 (2016).
  8. Sun, S., Yuan, D., Xu, Y., Wang, A., Deng, Z. Ligand-mediated synthesis of shape-controlled cesium lead halide perovskite nanocrystals via reprecipitation process at room temperature. ACS Nano. 10 (3), 3648-3657 (2016).
  9. Jellicoe, T. C., Richter, J. M., et al. Synthesis and optical properties of lead-free cesium tin halide perovskite nanocrystals. Journal of the American Chemical Society. 138 (9), 2941-2944 (2016).
  10. Tong, Y., Bladt, E., et al. Highly luminescent cesium lead halide perovskite nanocrystals with tunable composition and thickness by ultrasonication. Angewandte Chemie International Edition. 55 (44), 13887-13892 (2016).
  11. Zhang, D., Eaton, S. W., Yu, Y., Dou, L., Yang, P. Solution-phase synthesis of cesium lead halide perovskite nanowires. Journal of the American Chemical Society. 137 (29), 9230-9233 (2015).
  12. Lignos, I., Stavrakis, S., Nedelcu, G., Protesescu, L., deMello, A. J., Kovalenko, M. V. Synthesis of cesium lead halide perovskite nanocrystals in a droplet-based microfluidic platform: fast parametric space mapping. Nano Letters. 16 (3), 1869-1877 (2016).
  13. Wei, S., Yang, Y., Kang, X., Wang, L., Huang, L., Pan, D. Room-temperature and gram-scale synthesis of CsPbX3 (X = Cl, Br, I) perovskite nanocrystals with 50-85% photoluminescence quantum yields. Chemical Communications. 52 (45), 7265-7268 (2016).
  14. Protesescu, L., Yakunin, S., et al. Nanocrystals of cesium lead halide perovskites (CsPbX 3 , X = Cl, Br, and I): novel optoelectronic materials showing bright emission with wide color gamut. Nano Letters. 15 (6), 3692-3696 (2015).
  15. Epps, R. W., Felton, K. C., Coley, C. W., Abolhasani, M. Automated microfluidic platform for systematic studies of colloidal perovskite nanocrystals: towards continuous nano-manufacturing. Lab Chip. 23 (17), 4040-4047 (2017).
  16. Lignos, I., Protesescu, L., et al. Facile droplet-based microfluidic synthesis of monodisperse IV-VI semiconductor nanocrystals with coupled in-line NIR fluorescence detection. Chemistry of Materials. 26 (9), 2975-2982 (2014).
  17. Park, J., Saffari, A., Kumar, S., Günther, A., Kumacheva, E. Microfluidic synthesis of polymer and inorganic particulate materials. Annual Review of Materials Research. 40 (1), 415-443 (2010).
  18. Phillips, T. W., Lignos, I. G., Maceiczyk, R. M., deMello, A. J., deMello, J. C. Nanocrystal synthesis in microfluidic reactors: where next. Lab on a Chip. 14 (17), 3172-3180 (2014).
  19. Lignos, I., Stavrakis, S., Kilaj, A., deMello, A. J. Millisecond-timescale monitoring of PBS nanoparticle nucleation and growth using droplet-based microfluidics. Small. 11 (32), 4009-4017 (2015).
  20. Abolhasani, M., Coley, C. W., Xie, L., Chen, O., Bawendi, M. G., Jensen, K. F. Oscillatory microprocessor for growth and in situ. characterization of semiconductor nanocrystals. Chemistry of Materials. 27 (17), 6131-6138 (2015).
  21. Chen, D. L., Gerdts, C. J., Ismagilov, R. F. Using microfluidics to observe the effect of mixing on nucleation of protein crystals. Journal of the American Chemical Society. 127 (27), 9672-9673 (2005).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Микрофлюидная платформаколлоидные нанокристаллыквантовые точкисинтез перовскитовпроточный реакторспектральный анализвремя пребываниявысокопроизводительный скринингавтоматизированный отбор пробоптические спектры
Модульная технология Microfluidic для систематического исследования коллоидных полупроводниковых нанокристаллов
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.