Un modulare tecnologia microfluidica per studi sistematici di nanocristalli semiconduttori colloidali
Summary
Dettagliati nel presente documento sono i protocolli di funzionamento e montaggio di una piattaforma di screening microfluidico modulare per la caratterizzazione sistematica delle sintesi di nanocristalli semiconduttori colloidali. Attraverso accordi di sistema completamente regolabile, spettri altamente efficiente raccolta può essere effettuati 4 ordini di grandezza il tempo di reazione scale spazio-temporali all’interno di uno spazio di campionamento massa trasferimento controllato.
Abstract
Nanocristalli semiconduttori colloidali, conosciuto come quantum dots (QD), è una classe velocemente crescente di materiali in elettronica commerciale, come la luce che emettono diodi (LED) e fotovoltaico (PVs). Tra questo gruppo di materiali inorganici/organici perovskiti hanno dimostrato miglioramento significativo e potenziale verso ad alta efficienza, basso costo montaggio PV a causa della loro mobilità di elemento portante ad alta carica e la durata delle. Nonostante le opportunità per perovskite QD in applicazioni su larga scala di PV e LED, la mancanza di comprensione fondamentale e completa delle loro vie di crescita ha inibito il loro adattamento all’interno di strategie di nanofabbricazione continuo. Screening basato su pallone tradizionali approcci sono generalmente costosi, laborioso e imprecisa per caratterizzare efficacemente la varietà parametro ampio spazio e sintesi rilevante per le reazioni di QD colloidale. In questo lavoro, una piattaforma completamente autonoma microfluidica è sviluppata per studiare sistematicamente lo spazio di parametro di grandi dimensioni associato con la sintesi colloidale dei nanocristalli in un formato di flusso continuo. Attraverso l’applicazione di un romanzo traduzione di cella di flusso tre porte e unità di estensione reattore modulare, il sistema può raccogliere rapidamente gli spettri di assorbimento e fluorescenza attraverso lunghezze di reattore 3-196 cm. La lunghezza regolabile reattore separa non solo il tempo di permanenza dal trasferimento di massa di velocità-dipendente, anche sostanzialmente migliora i tassi di campionamento e consumo di sostanze chimiche per la caratterizzazione degli 40 spettri unici all’interno di un singolo sistema equilibrato. Frequenze di campionamento possono raggiungere fino a 30.000 spettri unici al giorno, e le condizioni di coprono 4 ordini di grandezza in residenza tempi che vanno 100 ms – 17 min. Ulteriori applicazioni di questo sistema migliorerebbe sostanzialmente il tasso e la precisione della scoperta del materiale e gli studi di screening in futuro. Dettagliato all’interno di questo rapporto sono il sistema materiali e protocolli di assemblaggio con una descrizione generale del software automatizzato campionamento e trattamento dei dati non in linea.
Introduction
L’avvento di nanocristalli semiconduttori, in particolare punti quantici, ha portato significativi avanzamenti nella ricerca di materiali elettronici e produzione. Ad esempio, Visualizza punto quantico LED1 sono già state attuate in commercialmente disponibile “QLED”. Più recentemente tra questa classe di semiconduttori, perovskiti hanno suscitato notevole interesse e la ricerca verso tecnologie fotovoltaiche ad alta efficienza e basso costo. Dalla prima dimostrazione di un PV basati su perovskite nel 2009,2 l’efficienza di conversione di potenza su scala di laboratorio di celle solari a base di perovskite è aumentato ad un tasso senza paragoni con qualsiasi tecnologia PV nella storia. 3 , 4 oltre all’interesse Guida basati su perovskite PVs, una varietà di metodi recenti che descrivono la sintesi colloidale facile di nanocristalli di perovskite hanno creato l’opportunità per l’elaborazione di basso costo, soluzione-fase di perovskite QD in elettronica commerciale. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14
Nello sforzo verso la nanofabbricazione su larga scala di perovskite colloidale QD, una migliore comprensione fondamentale delle vie nanocrystal crescita e un efficace controllo delle condizioni di reazione deve essere sviluppati. Tuttavia, gli studi esistenti di questi processi hanno tradizionalmente su approcci basati sulla boccetta. Strategie di sintesi di batch presentano una varietà di limitazioni intrinseche in termini di produzione e caratterizzazione di materiali, ma più significativamente, tecniche basate sulla boccetta sono altamente inefficienti nel consumo di tempo e precursore di screening e dimostrare Proprietà di trasferimento di massa dipendente dalla dimensione di boccetta, che inibiscono la consistenza di sintesi. 15 per studiare efficacemente le vie di crescita dei nanocristalli semiconduttori colloidali in tutta la grande varietà delle procedure di sintesi segnalati e all’interno dello spazio ampio campione, è necessaria una tecnica di screening più efficiente. Negli ultimi due decenni, una gamma di strategie di microfluidica sono stati sviluppati per gli studi di nanocristalli colloidali sfruttando il consumo di sostanze chimiche sostanzialmente più basso, l’accessibilità dei metodi di high throughput screening e il potenziale per un implementazione del controllo di processo nei sistemi di sintesi continua. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20
In questo lavoro, segnaliamo la progettazione e sviluppo di una piattaforma automatizzata microfluidici per gli studi di alto-rendimento in situ di nanocristalli semiconduttori colloidali. Un romanzo tradurre cella di flusso, un design altamente modulare e l’integrazione di reattori tubolari disponibili in commercio e fluidiche connessioni formano una piattaforma unica e adattabile riconfigurabile con applicazioni dirette la scoperta, lo screening e l’ottimizzazione di nanocristalli colloidali. Sfruttando la capacità traslazionale della nostra tecnica di rilevazione (cioè, una cella di flusso tre porte), per la prima volta, dimostriamo che il disaccoppiamento sistematica dei tempi di miscelazione e reazione, migliorando allo stesso tempo il campionamento tassi di efficienza e raccolta negli approcci di cella di flusso stazionario tradizionale. L’utilizzo di questa piattaforma consente l’ingegneria di alto-rendimento e preciso band-gap di sintesi di nanocristalli colloidali verso strategie di nanofabbricazione continuo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sistema di campionamento automatico: L’autonomia di funzionamento della piattaforma screening è effettuata con una macchina a stati finiti controllo centrale. Movimento tra questi Stati si verifica in sequenza con più segmenti di ricorsiva per consentire il funzionamento attraverso un numero variabile di condizioni di campionamento. I controlli del sistema generale è divisibile in 3 fasi fondamentali. In primo luogo, il sistema inizia con un passo di inizializzazione, che stabilisce la comunicazione a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno finanziario fornito da North Carolina State University. Milad Abolhasani e Robert W. Epps riconosciamo con gratitudine il sostegno finanziario dalla concessione iniziativa opportunità per ricerca UNC (UNC-ROI).
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).
