Summary
Detaljerade häri är protokollen drift och montering av en modulär mikroflödessystem screening plattform för systematisk karakterisering av kolloidal semiconductor fysikalisk synteser. Fullt justerbara systemet arrangemang utföras högeffektiva spectra collection över 4 tiopotenser reaktionstid skalor inom en massa överföring-kontrollerade provtagning.
Abstract
Kolloidalt semiconductor nanokristaller, kallas quantum dots (QDs), är en snabbt växande klass av material i kommersiella electronics, såsom ljus emitting Diods (LED) och solceller (PVs). Bland denna materialgrupp, har oorganiska/organiska perovskiter visat signifikant förbättring och potential mot hög verkningsgrad, låg kostnad PV tillverkning på grund av sin höga kostnad flygbolaget mobiliteter och livstider. Trots möjligheterna för perovskit QDs i storskaliga PV och LED applikationer, har bristen på grundläggande och omfattande förståelse av deras tillväxt vägar hämmas deras anpassning inom kontinuerlig nanotillverkning strategier. Traditionell kolv-baserad screening metoder är generellt dyra, arbetsintensiva och oprecisa för effektivt karakterisera brett parametern utrymme och syntes olika relevanta för kolloidal QD reaktioner. I detta arbete, är en helt självständigt mikroflödessystem plattform utvecklat för att systematiskt studera den stora parametern utrymme associerat med kolloidalt syntesen av nanokristaller i ett kontinuerligt flöde format. Genom tillämpning av en roman att översätta treportars flöde cell och modulära reaktorn förlängning enheter, systemet kan snabbt samla in fluorescens och Absorptionsspektra över reaktorn längder 3-196 cm. Justerbar reaktorn längden frikopplar inte bara uppehållstid från velocity-beroende Massöverföringen, det förbättrar också väsentligen samplingsfrekvenser och kemikalieförbrukning på grund av karakterisering av 40 unika spektra inom ett enda skakad system. Samplingsfrekvenser kan nå upp till 30.000 unika spectra per dag, och villkor som täcker 4 tiopotenser i residence tider sträcker sig 100 ms - 17 min. Ytterligare tillämpningar av detta system skulle avsevärt förbättra hastighet och precision av materiella upptäckten och screening i framtida studier. Detaljerad i detta betänkande är systemet material och montering protokoll med en allmän beskrivning av automatiserad provtagning programvaran och offline databehandling.
Introduction
Tillkomsten av halvledare nanokristaller, särskilt kvantprickar, har drivit betydande framsteg inom elektroniska materialforskning och tillverkning. Exempelvis visar kvantpricken lysdioderna1 har redan genomförts i kommersiellt tillgängliga ”QLED”. Mer nyligen bland denna klass av halvledare, har perovskiter utlöst betydande intresse och forskning hög verkningsgrad och låg kostnad PV teknik. Sedan den första demonstrationen av en perovskit-baserade PV i 2009 ökat2 lab-skala power verkningsgraden perovskit-baserat solceller i en takt som är oöverträffade av någon PV teknik i historia. 3 , 4 utöver de drivande intressen för perovskit-baserade PVs, en mängd senaste metoder som beskriver lättköpt kolloidalt syntesen av perovskit nanokristaller har skapat en möjlighet för låg kostnad, lösning-fas behandling av perovskit QDs i kommersiella electronics. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14
I arbetet mot storskaliga nanotillverkning av kolloidal perovskit QDs, måste först en bättre grundläggande förståelse av de fysikalisk tillväxt vägarna och en effektiv kontroll av villkor som reaktion utvecklas. Befintliga studier av dessa processer har dock traditionellt åberopat kolv-baserade metoder. Batch syntes strategier fram olika slags inneboende begränsningar i fråga om materialkarakterisering och produktion, men mest påtagligt, kolv-baserade tekniker är mycket ineffektiv i screening tid och föregångare konsumtion, och demonstrera kolv storlek beroende av massöverföring egenskaper, som hämmar syntes konsistensen. 15 för att studera effektivt kolloidalt semiconductor nanokristaller tillväxt promenadstråken över den stora mängd av rapporterade synteser förfaranden och inom det breda relevanta prov utrymmet, en effektivare screening teknik krävs. Under de senaste två decennierna, har en rad mikroflödessystem strategier utvecklats för studier av kolloidal nanokristaller utnyttja de väsentligt lägre kemikalieförbrukningen, tillgängligheten till high-throughput screeningmetoder och potentialen för en process control genomförandet i kontinuerlig syntes system. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20
I detta arbete rapportera vi design och utveckling av en automatiserad mikroflödessystem plattform för hög genomströmning i situ studierna av kolloidal semiconductor nanokristaller. En roman att översätta flöde cell, ett mycket modulärt design och integration av off-the-shelf tubulär reaktorer och fluidic anslutningar bildar en unik och anpassningsbar omkonfigurerbara plattform med direkta ansökningar i discovery, screening och optimering av kolloidalt nanokristaller. Kapitalisera på vår upptäckt teknik (dvs, en treportars flöde cell), translationell förmåga för första gången, visar vi en systematisk frikoppling av blandning och reaktion tidsskalor, medan samtidigt förbättra provtagning effektivitet och samling priser över traditionella stationära flöde cell metoder. Utnyttjandet av denna plattform möjliggör hög genomströmning och exakt band-gap konstruktion av kolloidal fysikalisk synteser mot kontinuerlig nanotillverkning strategier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. reaktorn församling
Figur 1 . Steg för steg-illustration av en prov plattform monteringsprocessen. Panelerna visar en stegvisa illustration av ett prov plattform monteringsprocessen detailing a inledande arrangemanget av översättning scenen och optiska post innehavare på montering brödet bred, (ii) montering av föregångare röret montering scenen och den flöde cell på optiska inlägg, (iii) fastsättning av mikrofabricerade slangen till anpassade cross-korsningen som är under öppenhet att avslöja flöde vägar, (iv) säkerställande av föregångare slangen medan samtidigt positionering första urvalsenheten, (v) efterföljande anslutningen av ytterligare provtagningsenheter med reaktorn slangen kör genom varje modul, (vi) slangar vägen av reaktorn förlängning enheter och (vii) säkerställande av slutliga urvalsenheten att stödja struktur och optiska inlägg. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Obs: På grund av det breda utbudet av möjliga konfigurationer, exakt monteringsprocessen av mikrofabricerade plattformen kan variera; de allmänna metoderna är dock densamma för alla arrangemang. Beskrivs nedan och i figur 1 är den plattform församling processen för en två-föregångare, flerfas flöde-format med en enda förlängning enhet efter hamnen 14th provtagning.
- Säkra översättning scenen och bokför innehavare till den optiska bakbord. Ansluta till korsningen montering scenen och flöde cellen till inlägg och fäst dem till plattformen.
- Wire reaktorn slangen och föregångare foder linjer till anpassade cross-korsningen och mata in slangen genom kanaler i upphöjda scenen. Se till att varje slangar segment skärs till en längd som bekvämt kan nå respektive spruta pump eller samling injektionsflaskan.
- Ansluta första urvalsenheten port till korsningen scenen och fäst föregångare linje omslaget till upphöjd montering scenen, säkra alla tubulär komponenter och första urvalsenheten på plats.
- Lägga till ytterligare modulära reaktorn enheter genom att köra reaktorn slangen genom önskad komponent och ansluta segmenten till resten av sammansatta struktur. Bygga ut enheterna från korsningen tills önskad längd och arrangemang erhålls.
Obs: Reaktorn slangen ska passa ordentligt inom varje enhet. Deformationer i slangen (stretching, falsning, etc.) påtagligt påverkar optiska signalstyrkan. - Fäst stödstrukturen till uttaget av segmentet senaste provtagning och säkra stöd till optiska inlägg ansluten till bakbord.
- Anslut RSS fodrar av systemets flöde till de datorstyrda sprutpumpar och foder utloppet reaktorn en kväve gas trycksatt (~ 12 psig) insamling injektionsflaska.
- Anslut 3 fiber optic korskopplingskabel till 3 flöde cell portar och Anslut de motsatta ändarna till spektrometer, LED och deuterium-halogen (DH) ljuskälla respektive. Se till att kablarna ska kunna röra sig smidigt med fulla längd av översättningen arrangerar och utan någon onödig belastning på deras anslutning med cellen flöde att slutföra plattform församling (som visas i figur 2).
2. föregångare förberedelse
Obs: Reaktionen screening system kan tillämpas till syntesen av olika kolloidal semiconductor nanokristaller; emellertid, i syfte att plattformsutveckling och validering, en CsPbBr3 perovskit syntes, anpassad från Wei o.a. 6 att bättre passa flödesanalyser, användes som en fallstudie reaktion. Föregångaren förberedelseprocessen beskrivs nedan.
- Förbereda 15 mL 0,013 M bromid föregångare genom att kombinera 109 mg tetraoctylammonium metylbromid, 1 mL oljesyra och 14 mL toluen i en förseglad 20 mL injektionsflaska.
- Rör blandningen kraftigt vid rumstemperatur tills en klar lösning erhålls.
- Bereda 48 mL 0.0021 M cesium-bly föregångare av första kombinerar 0,6 mmol av cesium hydroxid, 0,6 mmol av bly oxid, och 3 mL oljesyra i en förseglad 8 mL injektionsflaska med en septum.
- Pierca septum med en nål för ventilation och värm lösningen vid 160 ° C i ett oljebad och kraftigt rör det tills en klar lösning former (ca 15 minuter).
- Flytta i injektionsflaskan och nålen till ugn och värma dem i 120 ° C under 1 h, då avluftning ut nålen och låt lösningen svalna till rumstemperatur i öppen luft.
- Tillsätt 0,5 mL av hög koncentration cesium-bly blandningen till 47,5 mL toluen i förseglade 50 mL injektionsflaska och rör kraftigt.
- Ladda bromid föregångaren och späd cesium-bly föregångaren till deras respektive sprutor och påbörja processen automatiserad karakterisering av flöda två prekursorer tillsammans på önskad villkoren (se steg 3).
Obs: För experiment detaljerad under Representativa resultat, volymetrisk injektion förhållanden av 6.4:1 av cesium-bly till metylbromid och 1:1 av transportören gasfas till netto vätska användes vid variabel totala flöden.
3. gränssnitt drift
Obs: Helheten av datainsamlingen utförs genom automatiserade reaktion plattformen efter användaren anger en rad flödesförhållanden som ska testas. De allmänna förfarandena för löpande användargränssnittet under denna inledande input period beskrivs nedan.
- Öppna programvaran automatiserad drift för att visa användargränssnittet frontpanelen (visas i figur 3).
- Flytta till panelen spektrometer och börja fylla alla ingångar.
- Klistra in sökvägen för önskad data Spara mappen i rutan fil root för data .
- Under Spektrometern visum, väljer du USB anslutning adressen för spektrometern. Om den spektrometer USB-adressen inte är känd, identifiera dess läge via skrivbordet Enhetshanteraren sida.
- Välj integration tid, antal spectra i genomsnitt per provoch antal spectra att spara per tillstånd för både absorption (Abs) och fluorescens (influensa). När det gäller den syntes som beskrivs i steg 2, ange en integration tid 12 MS för absorption och 4 ms för fluorescensen i genomsnitt över 10 spectra.
- Om karaktärisera enfas flöde, gå vidare till nästa steg, om du utelämnar knappen flerfasiga . Om karaktärisera flerfas flöde, Välj knappen flerfasiga och ange minsta sampels längd så att ca 2 komplett vätske-svängningar kan passera provtagningspunkten. Tilldela sedan antalet prover att ta inom provtagning fönstret.
Obs: Med provtagning tid-upplösning inom en flerfas flöde kan begränsas av spektrometer inställningar och justeringar kan behövas om söker en högre upplösning.
- Flytta till panelen Pump konfiguration och börja fylla alla ingångar.
- Under spruta 1 COM, spruta 2 COM, och Dual Pump COM, att tilldela alla pumpar USB kommunikation adresser. Se punkt 3.2.2 för adress identifieringsprocessen.
- Ställ in sprutan inre diameter, som kan hittas på gränssnittet pump eller inom spruta manualer, för alla sprutor i bruk. För konfigurationer inte genomför alla sprutor, lämna ovidkommande spruta diametrarna på standardvärden.
- Om samlande referens Absorptionsspektra, identifiera en godtagbar tom lösning, läsa in den i en fäst sprutan och ange respektive sprutan till en måttligt flöde (cirka 300 µL/min) i respektive Ref flöde kryssrutan.
- Flytta till panelen systemkonfiguration och börja fylla alla ingångar.
- Om scenen platser har optimerats och korrekt visas under scenen positioner, Välj knappen föregående läge och flytta till nästa steg. Om scenen platser inte har optimerats, tilldela ett skede position fönsterstorlek och länka de ungefärliga scenen positioner (inom intervallet position) med hjälp av en CSV-vektor och rutan sökväg . Lämna rutan scenen ökning på 0,5 mm och rutan Start passerar vid 8.
- Beräkna volymen av segmentet reaktorn från mitten av korsningen till den slutliga provtagning porten och mata in det värdet i rutan systemvolymen . Lämna minst jämvikt tid 10 s.
- Dubbelkolla riktigheten av alla ingångar och väljer knappen Kör längst upp till vänster i gränssnittet.
Obs: Ingångar på frontpanelen kan inte ändras när programvaran har börjat sin verksamhet. - I fönstret Spara referens spectra , Välj Ja om referens spektra kommer att sparas eller Nej om de inte.
- I fönstret ange villkoret flöden , välja upp till 30 önskat flöde klassar konfigurationer att testa, lämnar alla oanvända spruta ingångar tomt.
- Välj OK och låter systemet att köra tills alla önskade villkor har provtagits; systemet stängs av på egen hand. Om systemet måste stoppas av någon anledning, väljer du knappen sluta tidigt och tillåta processen att stänga.
FÖRSIKTIGHET: Med hjälp av det Avbryt tillåter knappen längst upp till vänster i gränssnittet inte systemet att stänga pumpar eller ljuskällor, potentiellt skadliga utrustning och/eller utgör en betydande hälsorisk via UV-ljus exponering.
4. Pathlength korrigeringar
- För att erhålla pathlength korrigering korrelationen för varje hamn, först injicera en stabil lösning av perovskiter spridda i toluen i segmentet reaktorn tills reaktorn slangen fylls jämnt.
- Kör processen automatiserad provtagning på denna enhetlig lösning för 4 full passerar flöde cell (se steg 3 för förfarandet för drift).
- Applicera för både fluorescens och Absorptionsspektra korrigeringar på baslinjen och genomsnittliga totala för passerande av port placering. Normalisera alla kurvor med hänvisning till stödnivåerna som våglängd på 455 nm och 485 nm för absorption och fluorescens respektive (se figur 4).
- Använda den normalisering faktor beräknas i varje hamn för att proportionellt skala kurvorna för alla efterföljande spectra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Prova spectra: Utnyttja den diskuterade mikroflödessystem plattformen, de kärnbildning och tillväxt stadierna av kolloidal semiconductor nanokristaller syntes temperatur kan direkt studeras genom att övervaka tid-utvecklingen av absorption och fluorescens spektra av den bildade nanokristaller under uniform blandning villkor. Figur 5 A visar ett exempel uppsättning spectra erhållits inom ett enda pass av cellen treportars flöde. Medan de utsläpp våglängd distributionerna ensam ger värdefull insikt mot tillämpningar inom högkvalitativa LED tillverkning, passande absorption och emission bandgap energier inom experimentellt validerade effektiva massa tillnärmning modeller skulle möjliggöra kontinuerlig övervakning av nanopartiklar storlek distributioner i hela synteser. 14 motsvarande uppsättningar av spectra erhölls vid varierande flöde och reaktorn längder, vilket möjliggjorde för insamling av uppgifter över residence tider som spänner över 100 ms - 17 min.
Kinetiskt avstämbara nanokristaller: rotationssymmetriska återcirkulation mönster bildas inom segmenten flytande flerfas flöde möjliggör velocity-beroende massöverföring kontroll. 21 en studie av velocity-beroende blandande tidsskalan att uppehållstiden visade den kinetiska tunability i fysikalisk tillväxt vägar för de perovskit QDs (se figur 5B). Vår utvecklade modulära plattform tillåter, för första gången en systematisk studie av effekten av tidig blandningstid på bildade nanokristaller slutliga optiska egenskaper. Genom variationer i den reaktiva slug hastigheten, samtidigt som alla andra parametrar konstant, en skillnad i peak utsläpp våglängder lika stor som 25 nm vid en motsvarande uppehållstid observerades. Ytterligare utvärderingar av kolloidala systemet illustreras att den observerade skillnaden i utsläpp våglängd upprätthölls på längre residence gånger, resulterar i stabil, kinetiskt avstämbara nanokristaller. 15
Figur 2 . Färdigmonterad automatiserade reaktion screening plattform. Denna figur visar en färdigmonterad automatiserade reaktion screening plattform med en enda reaktorn förlängning enhet mellan den 14: e och 15: e provtagning port. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 . Användargränssnitt för automatiserad plattform operation. i denna panel visas användargränssnittet, som möjliggör kontroll och inställning av parametrar såsom spruta flödesområde, spektrometer mätning villkor, och provtagning ståndpunkt, för karakterisering inom ett brett spektrum av kolloidal halvledare fysikalisk synteser. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 . Processen för pathlength korrigering. I denna panel visas processen för en pathlength korrigering av port med A. Absorptionsspektra samlat över 20 provtagningsportar med B. spektra normaliserade med avseende på absorbansen vid 455 nm på en lösning av kolloidal CsPbBr3 perovskiter dispergerade i toluen och C. respektive fotoluminescens (PL) spektra D. normaliserade till 485 nm signal intensiteten. Anpassad från Epps o.a. 15 med tillåtelse av The Royal Society of Chemistry. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. Prov spectra och demonstration av kinetiska tunability. Dessa paneler Visa A. absorptionen (A) och fluorescens (I) spektra samlas inom ett enda pass av cellen flöde på en flerfasiga, reaktiva CsPbBr3 perovskit system rör sig i en genomsnittlig snigel hastighet på cirka 0,2 cm/s och B. topp fluorescens våglängden (λP) som en funktion av uppehållstid ritade för 11 olika genomsnittliga slug hastigheter, från 0,6 till 130 mm/s med prov fluorescens spectra visas på residence gånger och sniglar hastigheter på 200 s och 1,0 mm/s (överst) , 0,9 s och 75 mm/s (mitten) och 0,9 s och 130 mm/s (nederst). Anpassad från Epps o.a. 15 med tillåtelse av The Royal Society of Chemistry. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 . Process flödesschema för övergripande programvara-kontrollerade uppgifter inkassoprocessen. Detta inkluderar initiering av processen hårdvaran, de rekursiva provtagning progressioner och slutliga stängningen av plattformen. Anpassad från Epps o.a. 15 med tillåtelse av The Royal Society of Chemistry. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7 . Automation software process flödesschema för metoden för tilldelning av port-läge. Algoritmen körs för första gången ett angivet antal stabiliserande passager av cellen flöde följt av en optimal port upptäckt genom spektrometer läsningen av LED signal intensiteten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8 . Prova flerfas spectra isolering. Dessa paneler visar provet flerfas spectra isolering för A. fluorescens vid 500 nm och B. absorbansen vid 380 nm över tiden för en lösning av perovskiter dispergerade i toluen. Den gröna regionen visar utbudet av perfekt provtagningstider. Panel C. visar de Absorptionsspektra (fluorescein lösning) jämföra flerfas provtagningsmetoder som avser slug hastigheten. ”Det” anger att den plugg upptäckt algoritmen tillämpades, och ”Avg” anger att prover togs över även tidsintervaller och i genomsnitt tillsammans. Observera att den plug detektionsmetoden tillämpas för långsammare flyttar sniglar produceras motsvarande spectra som det enkla medelvärdet av högre hastighet systemet. Anpassad från Epps o.a. 15 med tillåtelse av The Royal Society of Chemistry. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9 . Demonstration av mätning stabilitet över scenen passerar. Detta är en demonstration av mätning stabilitet över scenen passerar med A. absorptionen signal intensiteten vid 500 nm och B. fluorescensintensiteten vid 380 nm på en toluen referens normaliserade av port placering och i genomsnitt över 30 full passager av cellen flöde. Felstaplarna indikerar ett 95% konfidensintervall och inga värden avvikit bortom ± 1% av genomsnittet för läsning. Anpassad från Epps o.a. 15 med tillåtelse av The Royal Society of Chemistry. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Automatiserad provtagningssystem: Autonoma drift av screening plattformen utförs med en central kontroll ändlig tillståndsmaskin. Med flera rekursiv segment att möjliggöra för drift över ett varierande antal provtagning villkor sker sekventiellt rörelse mellan dessa stater. De generella kontrollerna kan delas in i 3 core arrangerar. Det första börjar systemet med en initieringen steg, som upprättar kommunikation genom varje USB-kontrollerad komponent automatiskt definierar fil sparar vägar och frågar efter inledande användarinmatad. Programmet körs sedan genom provtagning processen för varje inmatade reaktion villkor tills alla önskade data har samlats in. Slutligen returnerar en uppsägning processen all hårdvara till utgångsläget innan avslutas skriptet operationen. Den allmänna rörelsen inom denna programvara är detaljerad i figur 6.
Port upptäckt: Inom ramen för huvudsakliga automation är flera kritiska delfunktioner som möjliggör effektiv och ändamålsenlig reaktion karakteriseringar. Först, figur 7 visar en del av segmentet ”initiering” där provtagning port positionerna definieras för översättning scenen. Port upptäckt funktionen stabiliserar första segmentet reaktorn genom att härma flöde cell rörelse längs reaktorn för 8 full passerar. Den upptäcker då den optimala portplatsen genom provtagning fluorescensintensiteten över ett 1 mm fönster runt den uppskatta platsen och markera positionen för maximal intensitet. Detta läge sparas för varje port och används som de scenen positionerna under efterföljande provtagningsförfaranden.
Ljuskälla växla: Effektiv absorbans och fluorescens spektra provtagning inom cellen treportars flöde utförs med en automatiserad ljuskälla växla system. När du når hamnen provtagning, kan 10 spectra för båda absorbansen i taget 15-ms integration och fluorescens i taget 4-ms integration samlas i så lite som 400 ms. När flytta mellan provet platser, både DH lampa och LED är växlas ut. När du når önskad provtagning hamnen, DH lampans utlöses på och absorbansen provtagning är villkoren på spektrometern, följt av provsamling. DH lampan är sedan växlas bort, medan LED ska växlas på. Provtagning processen upprepas för fluorescens villkoren, och båda lamporna är avstängda.
Slug upptäckt: I flerfas flödessystem kräver effektiv provtagning en kombination av urvalsmetoder, som är beroende av hastigheten hos den rörliga slug. Tröskelvärdet slug hastigheten där en upptäckt algoritm blir mindre effektiv än enkel genomsnitt befanns inträffar vid cirka 11 mm/s. Vid lägre hastighet system, enda spectra provtagning är utförs enhetligt mellanrum över uppskattad längd av 2 vätska sniglar (ca 1 cm). Inom spektra erhållits genom provtagning processen, 10 optimal spektra i stadens bulk flytande skogssnigel är isolerade med hjälp av en femgradig lokala variancen av en viss våglängd över tid - 400 nm för fluorescens och 380 nm för absorbans - som visas i Figur 8. Inom systemen för högre vätska hastighet, dock överträffar fönstret tillgängliga provtagning av en enda rörliga snigel effektiv samplingsfrekvensen av spektrometern. I dessa fall befanns genomsnitt tillsammans 10 spectra samlat under enhetligt mellanrum vara tillräcklig.
Systemspecifikationer: Genom tillämpning av flera 87 cm förlängning enheter, kan provtagning portar placeras vid reaktorn slang längder varierande 3-196 cm. Kombinationen av varierande flöden och flöde-cell rörelse gör i situ spektrala karakterisering på residence tider sträcker sig 100 ms - 17 minuter med en samplingsfrekvens som är så hög som 30 000 spektra per dag. Dessutom erhölls varje absorption eller fluorescens spektrum med särskilt låg kemikalieförbrukning, kräver endast 2 µL per spectra vid tidpunkten för provtagning och 20 µL per spectra övergripande (från start till avslutning). Denna hög samplingsfrekvens och effektivitet kan hänföras till samlingen av upp till 40 unika spektra inom ett enda skakad system genom att översätta flöde cellen. Efter applicering reaktorn stabilisering, port justering och pathlength korrigering processer, visade plattformen sig vara korrekt för över 30 full passerar av cellen flöde (figur 9). I en karakterisering av de respektiva ljuskälla signal stödnivåerna på toluen referens konstaterades det att felet i räkningarna av en viss våglängd för varje port förblev inom 1% över alla 30 passerar i både fluorescens och absorption signaler. Denna stabilitet i reaktorn mätsystemet aktiverat omfattande materiella upptäckten, screening och optimering studier skall utföras med minimala manuella störningar, vilket resulterar i jämnare datainsamling från samma parti av prekursorer.
Utökad provtagning utrymme: Förhållandet mellan vätska hastighet och residence tid har ofta varit ihop i befintliga syntes screening studier. För karakteriseringar genomföra ett stationärt flöde cell, exempelvis erhålls rörlig residence gånger genom att justera netto vätska hastigheter. Som beskrivs av den tidigare diskuterade utvärderingen av kinetiska tunability i fysikalisk tillväxt, är dock denna metod för reaktion karakterisering sannolikt otillräcklig för studier av ett brett utbud av kolloidal semiconductor synteser med snabb kärnbildning och tillväxt kinetik. Frikoppling uppehållstid från vätska hastigheten genom att tillämpa en bärbar provtagningssystemet expanderar provtagning utrymmet på ett sätt som inte har undersökts tidigare. Således möjliggör utvecklade modulära tekniken upptäckten och undersökande studier av nästa generation av kolloidal nanomaterial med avsevärt förbättrad precision och kontroll över villkor som syntes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
North Carolina State University har arkiverat provisoriska patent (nr 62/558,155) på diskuterade mikroflödessystem plattformen.
Acknowledgments
Författarna erkänner tacksamt det finansiella stödet från North Carolina State University. Milad Abolhasani och Robert W. Epps erkänna tacksamt finansiellt stöd från initiativet till UNC-forskning-möjligheter (UNC-ROI) bidraget.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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).
