وحدات تقنية موائع جزيئية لدراسات منهجية الغروية أشباه الموصلات نانوكريستالس
Summary
هذه الوثيقة بالتفصيل هي بروتوكولات العملية والجمعية من منصة فحص وحدات موائع جزيئية لتوصيف منهجي لأشباه الموصلات الغروية نانوكريستال التوليفات. من خلال ترتيبات نظام قابل للتعديل تماما، قد تتم عمليات جمع الأطياف ذات كفاءة عالية عبر مقاييس زمنية رد فعل 4 من حيث الحجم ضمن مساحة كتلة تسيطر عليها نقل عينات.
Abstract
غرواني أشباه الموصلات نانوكريستالس، المعروفة باسم النقاط الكم (قدس)، هي فئة متنامية بسرعة من مواد في مجال الإلكترونيات التجارية، مثل الضوء التي تنبعث منها الثنائيات (LEDs) ووحدات الطاقة الشمسية (Pv). من بين هذه المجموعة المادية، أثبتت بيروفسكيتيس غير العضوية/العضوية تحسنا كبيرا والإمكانات نحو تصنيع الكهروضوئية ذات الكفاءة العالية والمنخفضة التكلفة نظراً لارتفاع رسوم الناقل موبيليتيس وعمر. وعلى الرغم من فرص بيروفسكيتي قدس في التطبيقات الكهروضوئية والصمام على نطاق واسع، أعاق الافتقار إلى فهم أساسي وشامل على مسارات النمو تكيفها ضمن استراتيجيات نانومانوفاكتورينج المستمر. النهج التقليدي القائم على قارورة الفرز بشكل عام مكلفة وذات العمالة الكثيفة، وغير دقيقة لوصف فعالية المعلمة واسعة الفضاء وتوليف مجموعة متنوعة ذات صلة بردود فعل QD الغروية. في هذا العمل، هو تطوير منصة موائع جزيئية مستقلة تماما لمنهجية دراسة الفضاء المعلمة الكبيرة المرتبطة بتوليف الغروية نانوكريستالس في شكل تدفق مستمر. من خلال تطبيق رواية ترجمة خلية تدفق ثلاثة-الميناء ووحدات تمديد وحدات المفاعل، النظام قد سرعة جمع الأسفار وأطياف الامتصاص عبر مفاعل أطوال تتراوح بين 3-196 سم. طول المفاعل للتعديل ليس فقط decouples فترة الإقامة من نقل أسلحة تعتمد على السرعة، فإنه يحسن أيضا بشكل كبير بمعدلات أخذ العينات واستهلاك المواد الكيميائية نتيجة لتوصيف 40 الأطياف فريدة من نوعها داخل واحدة نظام متوازن. معدلات العينة قد تصل إلى تصل إلى 30,000 الأطياف فريدة من نوعها لليوم الواحد، والشروط تغطية أوامر من حجم 4 في الإقامة مرات تتراوح بين 100 مللي ثانية-17 دقيقة. طلبات أخرى من هذا النظام سيحسن إلى حد كبير معدل والدقة لاكتشاف المواد وفحص الدراسات في المستقبل. بالتفصيل في هذا التقرير هي مواد النظام وبروتوكولات الجمعية مع وصف عام لبرنامج أخذ العينات الآلي ومعالجة البيانات دون اتصال.
Introduction
وادي ظهور أشباه الموصلات نانوكريستالس، لا سيما النقاط الكم، أوجه التقدم الكبير في بحوث المواد الإلكترونية، والصناعات التحويلية. على سبيل المثال، يعرض الكم دوت المصابيح1 قد نفذت بالفعل في المتاحة تجارياً “قليد”. في الآونة الأخيرة أثارت بيروفسكيتيس بين هذه الفئة من أشباه الموصلات، تحظى باهتمام كبير والبحوث نحو التكنولوجيات الكهروضوئية ذات الكفاءة العالية والمنخفضة التكلفة. منذ أول مظاهرة الكهروضوئية المستندة إلى بيروفسكيتي في عام 2009، زادت2 كفاءة تحويل الطاقة المختبر على نطاق من الخلايا الشمسية على أساس بيروفسكيتي بمعدل لم يسبق له مثيل بأي تكنولوجيا الكهروضوئية في التاريخ. 3 , 4 بالإضافة إلى اهتمام القيادة في PVs المستندة إلى بيروفسكيتي، خلقت مجموعة متنوعة من الأساليب الأخيرة واصفاً توليف الغروية السطحية نانوكريستالس بيروفسكيتي فرصة منخفضة التكلفة، الحل-مرحلة التجهيز لقدس بيروفسكيتي في الإلكترونيات التجارية. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14
في الجهود المبذولة نحو نانومانوفاكتورينج على نطاق واسع من بيروفسكيتي الغروية قدس، يجب أولاً تطوير فهم أساسي من مسارات النمو نانوكريستال ورقابة فعالة من شروط رد فعل. إلا أن الدراسات الحالية لهذه العمليات عادة يعتمد على النهج المستندة إلى قارورة. دفعة توليف استراتيجيات تقديم مجموعة متنوعة من القيود المتأصلة فيما يتعلق بالوصف المادي والإنتاج، ولكن الأهم من ذلك، هي غير فعالة في استهلاك الوقت والسلائف فحص التقنيات المستندة إلى قارورة، وتثبت خصائص النقل الجماعي يعتمد على حجم قارورة، التي تحول دون اتساق التوليف. 15 فعالية دراسة مسارات النمو من الغروية أشباه الموصلات نانوكريستالس عبر مجموعة كبيرة ومتنوعة الإجراءات التوليفات المبلغ عنها وداخل الفضاء عينة عريضة ذات الصلة، مطلوب تقنية فرز أكثر كفاءة. على مدى العقدين الماضيين، وضعت مجموعة من الاستراتيجيات موائع جزيئية للدراسات نانوكريستالس الغروية الاستفادة من استهلاك المواد الكيميائية أقل بكثير، وإمكانية الوصول إلى أساليب الفرز الفائق، واحتمال تنفيذ عملية التحكم في أنظمة التوليف المستمر. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20
في هذا العمل، ونحن التقرير في تصميم وتطوير منصة موائع جزيئية الآلي لدراسات الغروية أشباه الموصلات نانوكريستالس الفائق في الموقع . رواية ترجمة خلية تدفق وتصميم نمطي عاليا وتكامل المفاعلات أنبوبي الجاهزة واتصالات فلويديك تشكل منصة إعادة التشكيل فريدة من نوعها وقابلة للتكيف مع تطبيقات مباشرة في اكتشاف وفحص، والاستفادة المثلى من نانوكريستالس الغروية. الاستفادة من القدرة متعدية الجنسيات لدينا تقنية كشف (أي، خلية تدفق ثلاثة-الميناء)، للمرة الأولى، نبدي منهجية فصل النطاقات الزمنية خلط ورد الفعل، بينما في نفس الوقت تحسين أخذ العينات معدلات الكفاءة وجمع عبر نهج الخلية تدفق الثابتة التقليدية. يمكن الاستفادة من هذا النظام الأساسي الهندسة الفجوة باند الفائق ودقة من التوليفات الغروية نانوكريستال نحو استراتيجيات نانومانوفاكتورينج المستمر.
Protocol
Representative Results
Discussion
أخذ العينات النظام الآلي: تجري عملية ذاتية لمنصة الفحص مع جهاز دولة محدود سيطرة مركزية. التنقل بين هذه الدول يحدث التسلسل مع العديد من القطع العودية للسماح للعملية عبر عدد متباين من شروط أخذ العينات. يمكن تقسيم عناصر النظام العام إلى 3 مراحل أساسية. أولاً، يبدأ النظام بخطوة تهيئة،…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب الاعتراف بامتنان الدعم المالي المقدم من جامعة ولاية كارولينا الشمالية. ميلاد أبولهاساني وروبرت دبليو المنتجات المفضلة بيئياً الاعتراف بامتنان الدعم المالي من المنحة مبادرة فرص البحوث UNC (UNC-العائد على الاستثمار).
Materials
| 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 |
References
- Tan, Z. -. K., Moghaddam, R. S., et al. Bright light-emitting diodes based on organometal halide perovskite. Nature Nanotechnology. 9 (9), 687-692 (2014).
- 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).
- 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).
- Grätzel, M. The light and shade of perovskite solar cells. Nature Materials. 13, 838 (2014).
- Schmidt, L. C., Pertegás, A., et al. Nontemplate synthesis of CH3NH3PbBr3 perovskite nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 136 (3), 850-853 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
