Summary
Detaljeret heri er protokollerne drift og montage af en modulær mikrofluid screening platform for systematisk karakterisering af kolloid semiconductor nanocrystal synteser. Gennem fuldt justerbare system arrangementer, kan højeffektive spectra samling foretages på tværs af 4 størrelsesordener reaktionstid skalaer inden for en masse overførsel-kontrollerede prøveudtagning.
Abstract
Kolloid halvleder-nanokrystaller, kendt som quantum dots (QDs), er en hastigt voksende klasse af materialer i kommercielle elektronik, såsom lys emitting dioder (lysdioder) og solcelleenergi (PVs). Blandt dette materiale gruppe, har uorganisk/organisk perovskites vist betydelig forbedring og potentiale mod høj effektivitet, lave omkostninger PV fabrikation på grund af deres høje ladning carrier jobmobiliteten og levetid. Trods mulighederne for perovskite QDs i stor skala PV og LED applikationer, har manglen grundlæggende og omfattende forståelse af deres vækst veje hæmmet deres tilpasning inden for kontinuerlig nanoproduktion strategier. Traditionelle kolbe-baseret screening tilgange er generelt dyre, arbejdskrævende og upræcise for effektivt kendetegner de brede parameter plads og syntese forskellige relevante kolloid QD reaktioner. I dette arbejde, er en fuldstændig autonom mikrofluid platform udviklet systematisk undersøge den store parameter plads forbundet med kolloid syntesen af nanokrystaller i en kontinuerlig strøm format. Gennem anvendelse af en roman, oversætte tre-port flow celle og modular reactor forlængelse enheder, kan systemet hurtigt indsamle fluorescens og absorptionsspektre på tværs af reaktoren længder lige 3-196 cm. Justerbar reaktor længde ikke kun decouples opholdstid fra velocity-afhængige masse overførsel, det forbedrer også væsentligt prøveudtagning priser og kemiske forbrug på grund af karakterisering af 40 unikke spektre inden for en enkelt afbalancerede system. Prøve satser kan nå op til 30.000 unikke spektre pr. dag, og betingelserne, der dækker 4 størrelsesordener i residence gange lige 100 ms - 17 min. Yderligere anvendelser af dette system ville væsentligt forbedre hastighed og præcision af den materielle opdagelse og screening i fremtidige undersøgelser. Detaljeret i denne betænkning er system materialer og forsamling protokoller med en generel beskrivelse af den automatiske prøvetagning software og offline databehandling.
Introduction
Fremkomsten af halvleder-nanokrystaller, især quantum dots, har drevet betydelige fremskridt i elektroniske materialeforskning og produktion. Quantum dot lysdioder1 er allerede blevet gennemført i kommercielt tilgængelige "QLED" viser f.eks. For nylig har perovskites blandt denne klasse af halvledere udløste væsentlig interesse og forskning mod høj effektivitet og lave omkostninger PV teknologier. Siden den første demonstration af en perovskite-baseret PV i 2009 steget2 lab-skala magt konverteringseffektivitet på perovskite-baserede solceller til en uovertruffen af nogen PV technology i historie. 3 , 4 ud over den drivende interesse i perovskite-baserede PVs, en række nylige metoder beskriver facile kolloid syntesen af perovskite nanokrystaller har skabt mulighed for lavpris-løsning-fase behandling af perovskite QDs i kommerciel elektronik. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14
I indsatsen mod storstilede nanoproduktion af kolloid perovskite QDs, skal en bedre grundlæggende forståelse af nanocrystal vækst veje og en effektiv kontrol af reaktionsbetingelser først udvikles. Eksisterende undersøgelser af disse processer har dog traditionelt påberåbt kolbe-baserede tilgange. Batch syntese strategier præsentere en række iboende begrænsninger med hensyn til materielle karakterisering og produktion, men mest markant kolbe-baserede teknikker er meget ineffektiv i screening forbrug af tid og forløber, og demonstrere kolbe størrelse-afhængige masse overførsel egenskaber, som hæmmer syntesen konsistens. 15 for at studere effektivt vækst veje af kolloid halvleder-nanokrystaller på tværs af det store udvalg af rapporterede synteser procedurer og inden for den brede relevante udsnit plads, en mere effektiv screening teknik er påkrævet. I de seneste to årtier, en række mikrofluid strategier er udviklet til undersøgelser af kolloid nanokrystaller udnytte de væsentligt lavere kemiske forbrug, tilgængelighed af high throughput screening-metoder og potentiale for en proces kontrol gennemførelse i kontinuerlig syntese systemer. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20
I dette arbejde rapport vi design og udvikling af en automatiseret mikrofluid platform for høj overførselshastighed i situ studier af kolloid halvleder-nanokrystaller. En roman, oversætte flow celle, en yderst modulære design og integrationen af off-the-shelf rørformede reaktorer og fluidic forbindelser udgør en unik og fleksibel omkonfigurerbare platform med direkte ansøgninger i opdagelsen, screening og optimering af kolloid nanokrystaller. Capitalizing på translationel evne til vores opdagelse teknik (dvs., en tre-port flow celle), for første gang, vise vi systematisk afkobling af blanding og reaktion tidsskalaer, mens samtidig forbedrer prøveudtagning effektivitet og samling priser over traditionelle stationære flow celle tilgange. Udnyttelsen af denne platform giver høj overførselshastighed og præcis band-gap engineering af kolloid nanocrystal synteser mod kontinuerlig nanoproduktion strategier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. reaktor forsamling
Figur 1 . Trinvise illustration af en stikprøve platform samling proces. Panelerne viser en trinvis illustration af en stikprøve platform samling proces beskriver de første arrangement af oversættelse fase og optisk stillingsindehavere på montering brød bred, (ii) montering af forløber rør montering fase og den flow celle på optiske indlæg, (iii) udlæg i mikrofluid slangen til brugerdefinerede cross-krydset, som er under gennemsigtighed til at afsløre flow veje, (iv) sikring af forløber slangen mens samtidig placerer den første prøveenhed (v) efterfølgende tilslutning af yderligere prøveudtagning enheder med reaktoren slangen løbe gennem hver modul, (vi) slanger pathway af reaktoren forlængelse enheder og (vii) sikring af den endelige prøveenhed støtte struktur og optisk indlæg. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Bemærk: På grund af den brede vifte af mulige konfigurationer, nøjagtige forsamling processen med mikrofluid platform kan variere; de generelle metoder er dog de samme for alle ordninger. Detaljerede nedenfor og i figur 1 er platform forsamling processen for en to-forløber, multi-fase flow format med en enkelt forlængelse enhed efter havnens 14th prøveudtagning.
- Sikre oversættelse scenen og bogføre holdere til den optiske breadboard. Tilslut junction montering fase og flow celle til stillingerne, og fastgør dem til platformen.
- Wire reaktor rør og forløber feed linjer til det brugerdefinerede cross-krydset og fodre slangen gennem kanalerne i den hævede scene. Sikre, at hver slange segment er skåret til en længde, der kan nemt nå de respektive sprøjten pumpe eller samling hætteglas.
- Den første prøveudtagning port enhed tilsluttes junction scenen og fastgør dækslet forløber linje til hævet montering fase, at sikre alle de rørformede komponenter og den første prøveenhed på plads.
- Tilføje yderligere modular reactor enheder ved at køre reaktor slangen gennem den ønskede komponent og forbinder segmenterne af den samlede struktur. Udbygge enhederne fra krydset indtil den ønskede længde og arrangement er opnået.
Bemærk: Reaktor slangen skal passe fast inden for hver enhed. Deformationer i slangen (stretching, crepe, etc.) væsentligt påvirker optisk signalstyrke. - Fastgør støttestruktur til afgangen fra den sidste prøveudtagning segment og sikre støtte til de optiske indlæg tilsluttet breadboard.
- Forbinde de feed linjer af flow-system til computer-kontrollerede sprøjte pumper og feed reaktor outlet i en nitrogen gas under tryk (~ 12 psig) samling hætteglas.
- Tilslutte 3 fiber optic patchkabler 3 flow celle havne, og Vedhæft de modsatte ender til spektrometer, LED og deuterium-halogen (DH) lyskilde henholdsvis. Sikre, at kablerne er i stand til at flytte gnidningsløst med den fulde længde af oversættelse fase og uden nogen unødvendigt pres på deres forbindelse med flow-cellen at fuldføre platform Forsamling (som vist i figur 2).
2. forløberen forberedelse
Bemærk: Reaktionen screening system kan anvendes til syntese af forskellige kolloid halvleder-nanokrystaller; dog med henblik på udvikling af platforme og validering, en CsPbBr3 perovskite syntese, tilpasset fra Wei et al. 6 der passer bedre til flow analyser, blev brugt som et casestudie reaktion. Forløber forberedelse proces er nærmere beskrevet nedenfor.
- Forberede 15 mL 0.013 M bromid forløber ved at kombinere 109 mg af tetraoctylammonium bromid, 1 mL af oliesyre og 14 mL toluen i en forseglet 20 mL hætteglas.
- Rør blandingen kraftigt ved stuetemperatur indtil en klar løsning opnås.
- Forberede 48 mL 0.0021 M cæsium-bly forløber ved første kombinerer 0,6 mmol af cæsium hydroxid, 0,6 mmol af lead(II) oxid, og 3 mL af oliesyre i en forseglet 8 mL hætteglas med en septum.
- Gennembore septum med en nål for ventilation og varme løsning ved 160 ° C i et oliebad og energisk rør det indtil en klar løsning former (ca. 15 minutter).
- Flytte hætteglas og nål til ovn og varme dem ved 120 ° C i 1 h, derefter fjerne udluftning nålen og lad opløsningen afkøles til stuetemperatur i fri luft.
- Tilsæt 0,5 mL af høj koncentration cæsium-bly blanding til 47,5 mL toluen i en forseglet 50 mL hætteglas og rør kraftigt.
- Indlæse bromid forløber og fortyndes cæsium-bly forløber i deres respektive sprøjter og begynde processen med automatisk karakterisering af flyder de to prækursorer sammen på de ønskede betingelser (Se trin 3).
Bemærk: For forsøgene detaljeret henhold Repræsentative resultater, volumetriske injektion nøgletal af 6.4:1 cæsium-bly til bromid og 1:1 af gas carrier fase til netto væske blev brugt på variable samlede strømningshastigheder.
3. brugergrænsefladen drift
Bemærk: Hele dataindsamlingen er foretaget gennem den automatiske reaktion platform når brugeren angiver en serie af strømningsforhold skal testes. De generelle procedurer for opererer brugergrænsefladen i denne indledende input periode er nærmere beskrevet nedenfor.
- Åbn den automatiske drift software for at se den brugergrænseflade frontpanel (vist i figur 3).
- Flytte til panelet spektrometer indstillinger og begynde at fylde alle indgange.
- Indsætte filstien til de ønskede data, gemme mappe i boksen fil rod for data .
- Vælg USB connection adresse for spektrometeret under Spektrometer visum. Hvis spektrometer USB-adresse ikke er kendt, identificere dens placering gennem den desktop Enhedshåndtering side.
- Vælg integration tid, antallet af spektre til gennemsnitlig pr. sampleog antallet af spektre gemme pr. betingelse for både absorption (Abs) og fluorescens (influenza). Ved syntesen detaljeret i trin 2, placere en integration gang af 12 ms for absorption og 4 ms for fluorescens i gennemsnit over 10 spektre.
- Hvis kendetegner enfaset flow, gå videre til næste trin, forlader knappen flerfasede . Hvis kendetegner multi-fase flow, Vælg knappen flerfasede og indstille minimumsantal af stikprøver længde , så ca. 2 komplet gas-væske svingninger kan passere indsamlingspunktet. Tildel derefter antal prøver at tage inden for at prøveudtagning rude.
Bemærk: Prøvetagning tid-beslutning inden for en multi-fase flow kan være begrænset af indstillingerne spektrometer, og tilpasninger kan være nødvendigt hvis søger en højere opløsning.
- Flytte til panelet pumpe konfigurationen og begynde at fylde alle indgange.
- Under sprøjte 1 COM, sprøjte 2 COM, og Dual pumpe COM, tildele USB kommunikation adresser til alle pumper. Se trin 3.2.2 for adresse identifikationsprocessen.
- Sæt sprøjten indre diameter, som kan findes på grænsefladen pumpe eller inden for sprøjten manualer for alle sprøjter i brug. For konfigurationer ikke gennemfører alle sprøjter, forlade uvedkommende sprøjte diametre på standardværdier.
- Hvis indsamling reference absorptionsspektre, identificere en acceptabel blindprøve, læg det i en vedhæftet sprøjte og angivet på respektive sprøjten til en moderat strømningshastighed (ca. 300 µL/min) i de respektive Ref strømningshastighed boks.
- Flytte til panelet systemkonfiguration og begynde at fylde alle indgange.
- Hvis fase steder er blevet optimeret og korrekt vises under scenen positioner, skal du vælge knappen Brug tidligere position og flytte til næste trin. Hvis scenen steder ikke er optimeret, tildele en fase position vinduesstørrelse og knytte omtrentlige fase positioner (indenfor placeringsområde) ved hjælp af en .csv vektor og boksen filstien . Forlade den fase tilvækst på 0,5 mm og feltet Start passerer på 8.
- Beregning af volumen af reaktoren segment fra midten af krydset til den endelige udtagning port og input denne værdi i boksen systemdiskenhed . Forlade Minimum balance gang på 10 s.
- Dobbelt-tjekke nøjagtigheden af alle indgange og Vælg knappen Kør i toppen til venstre for grænsefladen.
Bemærk: Input på frontpanelet kan ikke ændres, når softwaren er begyndt sin drift. - I vinduet Gem reference spectra Vælg Ja hvis reference spectra gemmes eller Nej , hvis de ikke vil.
- I vinduet Angiv betingelse strømningshastigheder vælge op til 30 ønskede flow sats konfigurationer til at teste, så alle ubrugte sprøjte input tomt.
- Vælg OK og tillader systemet at køre, indtil alle ønskede betingelser har været stikprøven; systemet lukker ned på sin egen. Hvis systemet skal stoppes for enhver grund, skal du vælge knappen Stop tidligt og tillade proces til at lukke ned.
Advarsel: Ved hjælp af den afbryde vil knap på øverst til venstre på grænsefladen ikke tillade ordningen hen til nedlægge pumper eller lyskilder, potentielt kan skade udstyr og/eller udgør en betydelig sundhedsrisiko via UV-lys eksponering.
4. Pathlength rettelser
- For at opnå pathlength korrektion korrelation for hver port, først indsprøjtes en stabil løsning af perovskites spredt i toluen i reaktoren segment indtil reaktor slangen er ensartet fyldt.
- Kør den automatiske prøvetagning proces på denne ensartede løsning for 4 fuld gennemkørsler af strømmen celle (Se trin 3 for operation procedure).
- Anvende baseline rettelser for både fluorescens og absorptionsspektre, så samlet i gennemsnit for passerer ved port placering. Normalisér alle kurver med henvisning til bølgelængde intensiteter på 455 nm og 485 nm for absorption og fluorescens hhv (Se figur 4).
- Brug normalisering faktoren beregnes på hver port forholdsmæssigt skalere kurver af alle efterfølgende spektre.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Prøve spektre: Udnytte den omtalte mikrofluid platform, Nukleering og vækst stadier af kolloid halvleder-nanokrystaller syntese temperatur kan direkte studeres ved at overvåge tid-udviklingen af absorption og fluorescens-spektre af den dannede nanokrystaller under ensartet blanding betingelser. Figur 5 A viser et eksempel sæt af spektre fremstillet inden for en enkelt pass af cellen tre-port flow. Mens emission bølgelængde distributioner alene give værdifuld indsigt mod applikationer i høj kvalitet LED fremstilling, montering absorption og emission bandgap energierne i eksperimentelt validerede effektiv masse tilnærmelse modeller ville gøre det muligt løbende overvågning af nanopartikel størrelse distributioner hele synteser. 14 tilsvarende sæt spektra blev opnået ved varierende strømningshastigheder og reaktor længder, hvilket gav mulighed for en indsamling af data på tværs af bopæl gange spænder over 100 ms - 17 min.
Kinetisk afstemmelige nanokrystaller: axisymmetric recirkulation mønstre dannet inden for de flydende segmenter af multi-fase flow muliggør velocity-afhængige masse overførsel kontrol. 21 en undersøgelse af hastighed-afhængige blanding tidsskalaen til opholdstid viste den kinetiske tunability i nanocrystal vækst veje for perovskite QDs (Se figur 5B). Vores udviklede modulære platform giver for første gang en systematisk undersøgelse af effekten af tidlige blanding tid på de endelige optiske egenskaber af dannede nanokrystaller. Gennem variationer i reaktive slug hastighed, samtidig med at alle andre parametre konstant, en forskel i peak emission bølgelængder så meget som 25 nm på en tilsvarende opholdstid blev observeret. Yderligere evalueringer af kolloid systemet illustreret, at den observerede forskel i emission bølgelængde blev opretholdt på længere residence gange, hvilket resulterer i stabil, kinetisk afstemmelige nanokrystaller. 15
Figur 2 . Fuldt samlet automatiske reaktion screening platform. Denne figur viser en færdigsamlet automatiske reaktion screening platform med en enkelt reaktor udvidelse enhed mellem de 14th og 15th prøveudtagning port. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 . Brugergrænseflade til automatiseret platform operation. Dette panel viser brugergrænseflade, som giver mulighed for kontrol og justering af parametre såsom sprøjten strømningshastigheder, spektrometer måling betingelser, og prøveudtagning holdning, med henblik på karakterisering på tværs af en bred vifte af kolloid semiconductor nanocrystal synteser. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4 . Processen for pathlength korrektion. Dette panel viser proces for en pathlength korrektion af port ved hjælp af A. Absorptionsspektra indsamlet over 20 prøveudtagning havne med B. spektre normaliseret for så vidt angår absorbans på 455 nm på en løsning af kolloid CsPbBr3 perovskites spredt i toluen og C. respektive fotoluminescens (PL) spectra D. normaliseret til 485 nm signal intensitet. Tilpasset fra Epps et al. 15 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. Prøven spectra og demonstration af kinetic tunability. Disse paneler viser A. absorption (A) og fluorescens, (I) spectra indsamles i en enkelt pass af cellen flow på en Flerfaset, reaktive CsPbBr3 perovskite system bevæger sig med en gennemsnitlig slug hastighed af cirka 0,2 cm/s og B. peak fluorescens bølgelængde (λP) som funktion af opholdstid afbildet for 11 forskellige gennemsnitlige slug hastigheder lige fra 0,6 til 130 mm/s med prøven fluorescens-spektre vist på residence gange og sneglene hastigheder på 200 s og 1.0 mm/s (top) , 0,9 s og 75 mm/s (i midten) og 0,9 s og 130 mm/s (nederst). Tilpasset fra Epps et al. 15 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6 . Proces flow chart for den samlede softwarestyrede dataindsamlingsprocessen. Dette omfatter initialisering proces hardware, rekursiv prøveudtagning progressioner og den endelige lukning af platformen. Tilpasset fra Epps et al. 15 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7 . Automation software proces flow chart for port placering tildelingsmetode. Algoritmen løber først et angivet antal stabiliserende gennemkørsler af cellen flow efterfulgt af en optimal port afsløring gennem spektrometer læsning af LED signal intensitet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8 . Prøve multi-fase spectra isolation. Disse paneler Vis prøve multi-fase spectra isolation for A. Fluorescens på 500 nm og B. absorbans på 380 nm over tid for en løsning af perovskites spredt i toluen. Det grønne område angiver vifte af ideelle prøvetidspunkter. Panelet C. viser Absorptionsspektra (fluorescein løsning) sammenligner multi-fase prøvetagningsmetoder, som den vedrører slug hastighed. "Det" angiver at plug opdagelse algoritme blev anvendt, og "Avg" angiver at prøver blev taget selv tidsintervaller og gennemsnit sammen. Bemærk at plug påvisningsmetode anvendes til langsommere bevægelse sneglene produceres tilsvarende spektre som et simpelt gennemsnit af den højere hastighed system. Tilpasset fra Epps et al. 15 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9 . Demonstration af måling stabilitet på tværs af scenen passerer. Dette er en demonstration af måling stabilitet på tværs af scenen passerer ved hjælp af A. absorption signal intensitet på 500 nm og B. Fluorescens-intensiteten på 380 nm på en toluen reference normaliseret efter port placering og gennemsnit over 30 fuld gennemkørsler af cellen flow. Fejllinjer angiver et 95% konfidensinterval, og ingen værdier afveg mere end ± 1% af den gennemsnitlige læser. Tilpasset fra Epps et al. 15 med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Automatiseret prøveudtagningssystemet: De autonome drift af screening platform er udført med en central kontrol finite stat machine. Bevægelse mellem disse stater opstår fortløbende med flere rekursive segmenter til Tillad for drift af et varierende antal udtagningsvilkårene. Den generelle ordning kontrol kan opdeles i 3 core faser. Først, systemet begynder med en initialisering skridt, som fastlægger kommunikation gennem hver USB-kontrollerede komponent, automatisk definerer fil gemmer stier, og beder om indledende bruger input. Programmet kører derefter gennem prøveudtagning for hvert angivet reaktion tilstand indtil alle de ønskede data er blevet indsamlet. Endelig returnerer en opsigelse proces alle hardware til udgangspositionen før slutter script drift. Den generelle bevægelse inden for denne software er detaljeret beskrevet i figur 6.
Port afsløring: Inden for de vigtigste automation er flere kritiske delfunktioner, der muliggør effektiv reaktion beskrivelser. Først, figur 7 viser et udsnit af "Initialisering" segmentet hvor prøveudtagning port positioner defineres for oversættelse fase. Port afsløring funktion stabiliserer første reaktor segment ved at efterligne strømmen celle bevægelse langs reaktoren for 8 fuld passerer. Det registrerer derefter den optimale port placering ved prøveudtagning fluorescens-intensiteten på tværs af et 1-mm vindue omkring den anslåede placering og vælge placeringen af den maksimale intensitet. Denne placering er gemt for hver port, og bruges som scene positioner under efterfølgende prøvetagning.
Lyskilde Skift: Effektiv absorbans og fluorescens spektrene prøvetagning inden for tre-port flow-cellen er udført med en automatiseret lyskilde Skift system. Ved ankomsten til havnen prøveudtagning, kan 10 spektre for begge absorbans ad gangen 15-ms integration og fluorescens ad gangen 4-ms integration blive indsamlet i så lidt som 400 ms. Når bevæger sig mellem prøve steder, både DH lampe og LED er skiftet ud. Ved ankomsten til havnen ønskede prøveudtagning, DH lampe udløses på og absorbans udtagningsvilkårene angives på spektrometret, efterfulgt af prøvetagning. DH-lampe er derefter skiftet ud, mens LED slås på. Prøvetagning proces gentages for fluorescens betingelser, og begge lys er så slukket.
Slug påvisning: I multi-fase flow systemer kræver effektiv prøvetagning en kombination af stikprøver, som afhænger af hastigheden af den bevægende slug. Tærskel slug hastighed hvor en opdagelse algoritme bliver mindre effektive end simpel gennemsnit blev fundet for at forekomme ved ca 11 mm/s. For lavere hastighed systemer, enkelt spectra prøvetagning foretages med ensartede intervaller på tværs af den anslåede længde af 2 væske snegle (ca. 1 cm). Inden for spektrene opnået gennem denne prøvetagning proces, de 10 optimal spektre i bulk væske midten af agersnegl er isoleret ved hjælp af en fem-punkts lokale variansen af en bestemt bølgelængde over tid - 400 nm til fluorescens og 380 nm for absorbans - som vist i Figur 8. Inden for højere væske velocity systemer, men overgår vinduet tilgængelige prøveudtagning af en enkelt bevægelige slug spektrometeret effektiv samplefrekvensen. I disse tilfælde fandtes sammen i gennemsnit 10 spectra indsamlet over ensartede intervaller for at være tilstrækkelig.
System specs: Gennem anvendelsen af flere 87 cm forlængelse enheder, kan prøveudtagning havne placeres på reaktor slange længder varierende 3-196 cm. Kombinationen af varierende strømningshastigheder og flow-celle bevægelse muliggør i situ spectral Karakteristik på residence gange lige 100 ms - 17 minutter med en samplingsfrekvens, der er så højt som 30.000 spectra pr. dag. Derudover blev hvert absorption eller fluorescens spektrum opnået med særlig lav kemiske forbrug, der kræver kun 2 µL pr. spectra på tidspunktet for prøveudtagningen og 20 µL pr. spectra samlede (fra opstart til lukning). Denne høj samplingfrekvens og effektivitet kan tilskrives samling af op til 40 unikke spektre inden for en enkelt afbalancerede system gennem cellen oversætte flow. Efter påføring af reaktoren stabilisering, port justering og pathlength korrektion processer, var platformen vist sig at være nøjagtig for over 30 fuld gennemkørsler af cellen flow (figur 9). I en Karakteristik af de respektive lyskilde signal intensiteter på toluen reference konstateredes det, at fejlen i tællinger af en bestemt bølgelængde for hver havn forblev inden for 1% på tværs af alle 30 passerer i både fluorescens og absorption signaler. Denne stabilitet i reaktoren målesystem aktiveret omfattende materielle opdagelsen, screening og optimering undersøgelser skal udføres med minimal håndbog indblanding, hvilket resulterer i mere konsistent dataindsamling fra samme parti af prækursorer.
Udvidet prøvetagning plads: Forholdet mellem væske velocity og residence tid har ofte været forvirret i eksisterende syntese screening studies. For beskrivelser implementering en stationær flow celle, eksempelvis er variabel opholdstid beregnet ved at justere netto fluid hastigheder. Men som beskrevet af den tidligere omtalte evaluering af kinetic tunability i nanocrystal vækst, denne metode af reaktion karakterisering er sandsynligvis utilstrækkelig til studier af en bred vifte af kolloid semiconductor sammenstillinger med hurtige Nukleering og vækst kinetik. Afkobling opholdstid fra den væske velocity ved at anvende en transportabel prøveudtagningssystemet udvider prøveudtagning plads på en måde, der ikke er blevet undersøgt tidligere. Således, den udviklede modulære teknologi giver mulighed for opdagelse og sonderende undersøgelser af den næste generation af kolloid nanomaterialer med væsentligt øget præcision og kontrol over de sammenfattende betingelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
North Carolina State University har indgivet en foreløbig patent (#62/558,155) på den omtalte mikrofluid platform.
Acknowledgments
Forfatterne parlamentsarbejdet den finansielle støtte fra North Carolina State University. Milad Abolhasani og Robert W. Epps anerkender taknemmeligt støtte fra UNC-muligheder forskningsinitiativ (UNC-ROI) tilskud.
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).
