Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

En modulær Microfluidic teknologi for systematiske studier av kolloidalt Semiconductor nanokrystaller

Published: May 10, 2018 doi: 10.3791/57666

Summary

Beskrevet heri er drift og montering protokoller av en modulær microfluidic screening plattform for systematisk karakterisering av kolloidalt semiconductor nanocrystal synteser. Gjennom fullt justerbar systemet ordninger, kan svært effektiv spectra samling gjennomføres over 4 størrelsesordener reaksjonstid skalaer løpet masse overføring-kontrollerte prøvetaking.

Abstract

Kolloidalt semiconductor nanokrystaller, kjent som kvante prikker (QDs), er en raskt voksende klassen av materialer i kommersielle elektronikk, for eksempel lys emitting diodene (lys) og photovoltaic (PV). Blant materiale gruppen har uorganiske/organisk perovskites vist betydelig forbedring og potensial mot høy effektivitet, rimelig PV fabrikasjon på grunn av deres høye kostnader bærer mobilities og levetid. Til tross for muligheter for perovskite QDs i store PV og LED, har mangel på grunnleggende og omfattende forståelse av deres vekst hemmet deres tilpasning i kontinuerlig nanomanufacturing strategier. Tradisjonelle kolbe-basert screening tilnærminger er generelt dyrt, arbeidskrevende og upresise for å effektivt karakterisere brede parameteren plass og syntese utvalg relevant for kolloidalt QD reaksjoner. I dette arbeidet er en helt selvstendig microfluidic plattform utviklet for å systematisk studie store parameteren plassen forbundet med kolloidalt syntese av nanokrystaller i et kontinuerlig format. Anvendelsen av en roman tredelt flyt cellen og modulære reaktoren forlengelse enheter, kan systemet raskt samle fluorescens og absorpsjon spectra over reaktoren lengder 3-196 cm. Justerbar reaktoren lengden ikke bare decouples botid fra hastighet-avhengige masse overføring, det også vesentlig forbedrer samplingsfrekvenser og kjemiske forbruk grunnet karakterisering av 40 unike spectra innenfor en enkelt equilibrated system. Samplingsfrekvenser kan nå opptil 30 000 unike spectra per dag, og forholdene dekker 4 størrelsesordener i bolig ganger spenner 100 ms - 17 minutter. Ytterligere bruksområder av dette systemet vil vesentlig forbedre hastighet og nøyaktighet med materiale oppdagelsen og screening i fremtiden studier. Detaljert i denne rapporten er materialer og montering protokoller med en generell beskrivelse av automatiserte utvalg programvare og frakoblet databehandling.

Introduction

Bruk av halvleder nanokrystaller, spesielt kvante prikker, har drevet betydelige fremskritt i produksjon og elektronisk materiale. For eksempel vises quantum dot lysdioder1 har allerede blitt implementert i kommersielt tilgjengelige "QLED". Nylig blant denne klassen av halvledere, har perovskites skapt betydelige hovedinteresse og mot høy effektivitet og lave kostnader PV teknologier. Siden den første demonstrasjonen av en perovskite-baserte PV i 2009, har2 lab skala kraft konverteringen effektiviteten av perovskite-baserte solceller økt med en hastighet uten sidestykke av noen PV teknologi i historien. 3 , 4 i tillegg til kjøring interessen perovskite-baserte PVs, en rekke nylige metoder beskriver lettvinte kolloidalt syntese av perovskite nanokrystaller har skapt muligheten for kostnader, løsning-fase behandling av perovskite QDs i kommersielle elektronikk. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14

I innsatsen mot store nanomanufacturing av kolloidale perovskite QDs, må en grunnleggende forståelse av nanocrystal vekst veier og effektiv kontroll av reaksjonen forhold først bli utviklet. Men eksisterende studier av disse prosessene har tradisjonelt støttet seg på kolbe tilnærminger. Satsvise syntese strategier presentere en rekke iboende begrensninger materiale karakterisering og produksjon, men de fleste betydelig, kolbe-baserte teknikker er svært ineffektive i screening tid og forløper, og viser kolbe størrelse avhengig av masse overføring egenskaper, som hemmer syntese konsistens. 15 å effektivt studere vekst veier av kolloidalt semiconductor nanokrystaller over det store mangfoldet rapporterte synteser prosedyrer og innen bred relevante eksempler, en mer effektiv screening teknikk er nødvendig. De siste to tiårene, en rekke microfluidic strategier har blitt utviklet for studier av kolloidalt nanokrystaller utnytte vesentlig lavere kjemiske forbruket, tilgjengelighet av høy gjennomstrømming screening metoder og potensialet for en prosessen kontroll implementering i kontinuerlig syntese systemer. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20

I dette arbeidet rapportere vi design og utvikling av en automatisert microfluidic plattform for høy gjennomstrømming i situ studiene i kolloidalt semiconductor nanokrystaller. En roman oversette flyt cellen, en svært modulær design og integrering av rett rørformede reaktorer og fluidic forbindelser danner en unik og tilpasningsdyktig rekonfigurerbare plattform med direkte programmer i oppdagelsen, screening og optimalisering av kolloidalt nanokrystaller. Utnytte translasjonsforskning evnen til våre oppdagelsen teknikk (dvs., en tredelt flyt celle) for første gang, viser vi systematisk frikopling av miksing og reaksjon tidsrammer, mens samtidig forbedre prøvetaking effektivitet og samling priser over tradisjonelle stasjonære flyt celle tilnærminger. Bruken av denne plattformen kan høy gjennomstrømming og presis band-gap prosjektering av nanocrystal kolloidalt synteser mot kontinuerlig nanomanufacturing strategier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. reaktoren montering

Figure 1
Figur 1 . Trinnvis illustrasjon av en prøve plattform monteringen. Panelene viser en trinnvis illustrasjon av en prøve plattform monteringen detaljering (i) første ordningen av oversettelse scenen og optisk innlegget holdere på montering brød bred, (ii) montering av forløperen rør montering scenen og flyt celle på optisk innlegg, (iii) til å feste microfluidic slangen til egendefinerte kryss-krysset som er under gjennomsiktighet å avsløre flyt pathways, (iv) å sikre av forløperen slangen mens samtidig posisjonering første prøvetaking enheten, (v) etterfølgende tilkobling av ekstra prøvetaking enheter med reaktoren slangen kjøre gjennom hver modul, (vi) rør veien av reaktoren forlengelse enheter og (vii) å sikre av siste prøvetaking enheten støtter strukturen og optisk innlegg. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Merk: På grunn av en lang rekke mulige konfigurasjoner, nøyaktig monteringen av microfluidic plattformen kan variere; men er de generelle metodene den samme for alle arrangementer. Detaljert nedenfor og i figur 1 er plattform samlingen prosessen for en to-forløperen, multi-fase flyt-format med en enkelt utvidelse enhet etter 14th prøvetaking porten.

  1. Sikre oversettelse scenen og legge holdere til den optiske brødfjel. Koble krysset montering scenen og flyt cellen til innlegg og feste dem til plattformen.
  2. Wire reaktoren slangen og forløper feed linjer til egendefinerte kryss-krysset og feed slangen kanalene i hevet scenen. Kontroller at hvert rør segment kuttes til lengde som komfortabelt kan nå respektive sprøyte pumpe eller samling ampullen.
  3. Koble den første prøvetaking port enheten til krysset scenen og sy forløper linje dekselet hevet montering scenen, sikre alle rørformede komponenter og den første prøvetaking enheten på plass.
  4. Legge til ekstra modulære reaktoren enheter ved å kjøre reaktoren slangen gjennom komponenten ønsket og koble segmentene til resten av sammensatte strukturen. Bygge ut enhetene fra krysset til ønsket lengde og ordningen er oppnådd.
    Merk: Reaktoren slangen bør passe godt i hver enhet. Deformasjoner slangen (strekk, pressing, etc.) påvirke optisk signalstyrken.
  5. Fest støttestruktur til utløpet av siste prøvetaking segmentet og sikre støtte til optiske innlegg koblet til brødfjel.
  6. Koble feed linjene av flyt til datastyrt sprøyte pumpene og mate reaktoren uttaket i nitrogen gass trykksatt (~ 12 psig) samling ampuller.
  7. Koble 3 fiber optisk patch ledninger til 3 flyt celle portene, og fest den andre enden til spektrometer, LED og deuterium-halogen (DH) lyskilden henholdsvis. Kontroller at kablene er kjøpedyktig bevege jevnt med full lengde oversettelse scenen og uten unødvendig belastning på deres forbindelse med flyt cellen å fullføre plattform montering (som vist i figur 2).

2. forløper forberedelse

Merk: Reaksjonen screening systemet kan brukes på syntesen av ulike kolloidalt semiconductor nanokrystaller; men for plattform utvikling og -validering, CsPbBr3 perovskite syntese, tilpasset fra Wei et al. 6 bedre tilpasset flyt analyser ble brukt som en casestudie reaksjon. Forløperen forberedelsesprosessen er beskrevet nedenfor.

  1. Forberede 15 mL 0.013 M bromide forløper ved å kombinere 109 mg tetraoctylammonium bromide, 1 mL av oljesyre og 14 mL av toluen i en forseglet hetteglass 20-mL.
  2. Rør blandingen kraftig ved romtemperatur til en klar løsning oppnås.
  3. Forberede 48 mL 0.0021 M cesium-bly forløper av første kombinere 0,6 mmol av cesium hydroksid, 0,6 mmol av lead(II) oksid, og 3 mL oljesyre i en forseglet hetteglass 8-mL med en septum.
    1. Pierce septum med en nål for ventilasjon og varme løsningen på 160 ° C i et bad av olje og kraftig rør det til en klar løsning former (ca 15 minutter).
    2. Flytte medisinglass og p til en ovn og varme dem ved 120 ° C i 1 time, deretter fjerne ventilasjonsåpningene nålen og tillate løsningen avkjøles til romtemperatur i friluft.
  4. Legg til 0,5 mL av høy konsentrasjon cesium-bly blandingen til 47,5 mL av toluen i en forseglet hetteglass 50 mL og røre kraftig.
  5. Laste bromide forløperen og fortynne cesium-bly forløperen til deres respektive sprøyter og begynne prosessen automatisert karakterisering av flytende to forløpere sammen på ønsket forhold (se trinn 3).
    Merk: For eksperimentene detaljert under Representant resultater, volumetriske injeksjon prosenter av 6.4:1 av cesium-føre til bromide og 1:1 gass operatør fase til netto væske ble brukt på variabel totale strømningshastigheter.

3. grensesnitt operasjon

Merk: Helheten av datainnsamling utføres gjennom automatisert reaksjon plattform når brukeren angir en rekke strømningsforhold skal testes. De generelle framgangsmåtene for bruk brukergrensesnittet i denne første input perioden finner du nedenfor.

  1. Åpne automatisert drift programvare for å vise brukergrensesnittet frontpanelet (vist i Figur 3).
  2. Flytt til Spectrometer innstillingene panelet og begynne å fylle alle innganger.
    1. Lim inn filbanen til ønskede data lagring mappen i boksen fil rot for data .
    2. Velg USB forbindelse adressen spektrometer under Spectrometer VISA. Hvis spectrometer USB adressen ikke er kjent, Identifiser plasseringen på skrivebordet Enhetsbehandling -siden.
    3. Velg integrering tid, antall spectra til gjennomsnittlig per prøveog antall spectra lagre per betingelse for både absorpsjon (Abs) og fluorescens (influensa). Når det gjelder syntese i trinn 2, og angi en integrasjon klokkeslettet på 12 ms for absorpsjon og 4 ms til fluorescensen gjennomsnitt over 10 spectra.
    4. Hvis karakterisere enfase flyt, gå videre til neste trinn drar knappen flerfase av. Hvis karakterisere multi strøm, velg knappen flerfase og angi minimum eksempel lengde slik at ca 2 full gass-væske svingninger kan passere prøvepunktet. Tilordne prøveantallet til innenfor prøvetaking vinduet.
      Merk: Utvalg tid-oppløsning i en multi-fase strøm kan være begrenset av spectrometer innstillingene og justeringer kan være nødvendig hvis søker høyere oppløsning.
  3. Flytt til pumpe konfigurasjonen panelet og begynne å fylle alle innganger.
    1. Under sprøyte 1 COM, sprøyte 2 COM, og Dobbel pumpe COM, tilordne USB kommunikasjon adresser til alle pumper. Se trinn 3.2.2 for identifikasjonsprosessen adresse.
    2. Angi den sprøyten indre diameter, som kan finnes på pumpen grensesnittet eller i sprøyten manualer, for alle sprøyter i bruk. Konfigurasjoner ikke implementere alle sprøyter, la uvedkommende sprøyte diameter på standardverdiene.
    3. Hvis samle absorpsjon referanse spectra, identifisere en akseptabel tom løsning, laste det inn en vedlagte sprøyte og angi respektive sprøyten til en moderat flow rate (ca 300 µL/min) i de respektive Ref strømningshastighet boksen.
  4. Gå til systemkonfigurasjonen panel og begynne å fylle alle innganger.
    1. Hvis scenen steder er optimalisert og skal vises under scenen posisjoner, velg knappen Bruk tidligere posisjon og flytter til neste trinn. Hvis scenen plasseringene ikke er optimalisert, tilordne scenen posisjon størrelsen og koble omtrentlig scenen stillingene (innen området posisjon) ved hjelp av en CSV-vektor og boksen filbane . Forlate scenen intervall -boksen på 0,5 mm og boksen Oppstart går på 8.
    2. Beregne volumet av reaktoren segmentet fra midten av krysset til siste prøvetaking porten og inn verdien i boksen systemvolumet . La Minimum likevekt tid på 10 s.
  5. Kontroller at alle innganger og velg Kjør -knappen øverst til venstre i grensesnittet.
    Merk: Innganger på frontpanelet kan ikke endres når programvaren har startet sin drift.
  6. I vinduet Lagre referanse spectra , velger du Ja hvis til referanse spectra lagres eller Nei hvis de ikke vil.
  7. I vinduet Angi betingelse strømningshastigheter Velg opptil 30 ønsket vannmengde rate konfigurasjoner teste, la alle ubrukte sprøyte innganger stå tomt.
  8. Velg OK og la systemet kjøre til alle ønsket forhold har blitt samplet; systemet slås på egen hånd. Hvis systemet må stoppes for noen grunn, velg Stopp tidlig og tillate at prosessen avsluttes.
    Advarsel: Bruker avbryte tillater knappen øverst til venstre i grensesnittet ikke systemet å stenge pumper eller lyskilder, potensielt skadelige utstyr og/eller poserer en betydelig helserisiko via UV lyseksponering.

4. Pathlength rettelser

  1. For å få pathlength korreksjon sammenhengen for hver port, først injisere en stabil løsning av perovskites spredt i toluen i reaktoren segmentet helt reaktoren slangen er jevnt fylt.
  2. Kjør automatisert prøvetaking prosessen på dette enhetlig løsning for 4 fulle passerer flyt celle (se trinn 3 i fremgangsmåten).
  3. Bruke planlagte korrigeringer for både fluorescens og absorpsjon spectra og gjennomsnittlig samlet for passene ved port plassering. Normalisere alle kurver i referanse bølgelengde intensiteten på 455 nm og 485 nm for absorpsjon og fluorescens henholdsvis (se Figur 4).
  4. Bruk normalisering faktoren beregnet på hver port proporsjonalt kurvene i alle påfølgende spectra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Prøve spectra: Utnytte diskutert microfluidic plattformen, nucleation og vekst stadier av kolloidalt halvleder nanokrystaller på syntese temperaturen kan direkte studeres ved å overvåke tiden-utviklingen av absorpsjon og fluorescens spektra av de dannet nanokrystaller under uniform blanding forhold. Figur 5 En viser et Eksempelsett av spectra innhentet i én omgang tredelt flyt cellen. Mens utslipp bølgelengde distribusjonene alene gir verdifull innsikt mot anvendelser i høy kvalitet LED produksjon, passende absorpsjon og utslipp bandgap energiene i eksperimentelt validert effektiv masse tilnærming modeller ville muliggjøre kontinuerlig overvåking av hydrogenion størrelse distribusjoner gjennom synteser. 14 tilsvarende sett med spectra ble innhentet på varierende strømningshastigheter og reaktoren lengder, som tillot en datainnsamling over residence ganger som spenner over 100 ms - 17 minutter.

Kinetically tunable nanokrystaller: axisymmetric resirkulering mønstrene dannet innen de flytende segmentene av multi-fase strøm gjør hastighet-avhengige masse pengeoverføring kontroll. 21 en studie av hastighet-avhengige blande tidsskalaen til botid vist av kinetisk tunability i nanocrystal vekst trasé for perovskite QDs (se figur 5B). Våre utviklet modulære plattformen tillater, for første gang, en systematisk studie av effekten av tidlig stadium blande tid på den endelige optiske egenskapene av dannet nanokrystaller. Gjennom variasjoner i reaktive slug hastigheten, samtidig som alle andre parametere konstant, en forskjell i topp utslipp bølgelengder så stor som 25 nm på en tilsvarende botid ble observert. Ytterligere vurderinger av kolloidalt illustrert at observert forskjellen i utslipp bølgelengde ble opprettholdt på lengre residence ganger, noe som resulterer i stabil, kinetically tunable nanokrystaller. 15

Figure 2
Figur 2 . Ferdig montert automatisert reaksjon screening plattform. Dette tallet viser en fullstendig montert automatisert reaksjon screening plattform med en enkelt reaktoren utvidelse enhet mellom de 14th og 15th prøvetaking port. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 . Brukergrensesnitt for automatisert plattform operasjon. Denne siden viser brukergrensesnittet, hvilke innrømmer for kontroll og justering av parametre som sprøyte strømningshastigheter, spectrometer måling forhold, og prøvetaking posisjon, for karakterisering over et bredt spekter av kolloidalt halvledere nanocrystal synteser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 . Prosessen for pathlength korreksjon. Dette panelet viser prosessen for en pathlength korreksjon av porten ved å bruke A. absorpsjon spectra samlet over 20 prøvetaking porter med B. til spectra normalisert forhold til absorbans ved 455 nm på en løsning av kolloidalt CsPbBr3 perovskites spredt i toluen og C. respektive photoluminescence (PL) spectra D. normalisert til 485 nm signal intensitet. Tilpasset fra Epps et al. 15 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5. Eksempel spectra og demonstrasjon av kinetisk tunability. Disse skjermbildene viser A. absorpsjon (A) og fluorescens (I) spectra samlet i én omgang flyt cellen på et flerfase reaktive CsPbBr3 perovskite system flytter på en gjennomsnittlig slug hastighet av ca 0.2 cm/s, og B. topp fluorescens bølgelengde (λP) som en funksjon av botid plottet for 11 forskjellige gjennomsnittlig slug hastigheter mellom 0,6 130 mm/s med eksempel fluorescens spectra vises på residence ganger og snegler fart av 200 s og 1.0 mm/s (øverst) , 0,9 s og 75 mm/s (midten) og 0,9 s og 130 mm/s (nederst). Tilpasset fra Epps et al. 15 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6 . Prosessen flytskjema for total datastyrt datainnsamlingsprosessen. Dette inkluderer initialiseringen av prosessen maskinvaren, rekursive prøvetaking progressions og den endelige stopp av plattformen. Tilpasset fra Epps et al. 15 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7 . Automatisering programvare prosessen flytskjema for metoden port plassering tildeling. Algoritmen først kjører et angitt antall stabilisere passerer flyt cellen etterfulgt av en optimal portregistrering gjennom spectrometer lesing av LED signal intensiteten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8 . Prøve multi-fase spectra isolasjon. Disse skjermbildene viser eksempel multi-fase spectra isolasjon for. fluorescens på 500 nm og B. absorbans ved 380 nm over tid for en løsning av perovskites spredt i toluen. Det grønne området angir utvalget ideelle samplingstidspunkt. C-panelet. viser til absorpsjon spectra (fluorescein løsning) sammenligne multi-fase Prøvetaking metoder som gjelder slug hastigheten. "Det" indikerer at plug-algoritme ble brukt, og "Avg" indikerer at prøvene var tatt over med jevne mellomrom tid og gjennomsnitt sammen. Merk at plugg gjenkjennings-metoden brukt på langsommere bevegelse snegler produsert tilsvarende spectra som et enkelt gjennomsnitt av høyere hastighet. Tilpasset fra Epps et al. 15 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 9
Figur 9 . Demonstrasjon av måling stabilitet over scenen passerer. Dette er en demonstrasjon av måling stabilitet over scenen passerer ved å bruke A. absorpsjon signal intensiteten på 500 nm og B. fluorescens intensiteten på 380 nm på en toluen referanse normalisert ved port plassering og i gjennomsnitt over 30 fulle passerer flyt cellen. Feilfeltene angir et 95% konfidensintervall, og ingen verdier avveket utover ± 1% av gjennomsnittet leser. Tilpasset fra Epps et al. 15 med tillatelse fra The Royal Society of Chemistry. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Automatisert direkte: Autonome driften av screening plattformen utføres med en sentral kontroll endelig tilstandsmaskin. Bevegelsen mellom disse landene oppstår sekvensielt med flere rekursiv segmenter å tillate drift over et varierende antall prøvetaking forhold. Generell kontrollene kan deles inn i 3 sentrale faser. Først begynner systemet med en initialisering trinn, som etablerer kommunikasjon gjennom hver USB-kontrollerte komponent, automatisk definerer fillagring veier og ber om opprinnelige innganger. Deretter kjører programmet gjennom prøvetaking prosessen for hver angitte reaksjon tilstand før alle ønskede data er samlet inn. Endelig returnerer en oppsigelse prosess all maskinvare til utgangsposisjonen før skriptoperasjonen. Generelle bevegelse i denne programvaren er beskrevet i figur 6.

Port detection: Er flere kritiske subfunctions at effektiv reaksjon karakteristikkene rammen viktigste automatisering. Figur 7 viser først en del av "Initialisering" segmentet der prøvetaking port stillingene er definert for oversettelse scenen. Port oppdagelsen funksjonen først stabiliserer reaktoren segmentet mimicking flyt celle bevegelse langs reaktoren for 8 fulle passerer. Den deretter oppdager den optimale portplasseringen ved prøvetaking fluorescens intensiteten over et 1 mm vindu rundt anslåtte plasseringen og velge plasseringen av den maksimale intensiteten. Denne plasseringen er lagret for hver port og brukt som scenen stillingene under påfølgende utvalgstrekking.

Lyskilde veksling: Til effektiv absorbansen og fluorescens spectra prøvetaking i tredelt flyt cellen utføres med en automatisert lyskilde veksling systemet. Ved å nå prøvetaking porten, kan 10 spectra for begge absorbansen 15-ms integrering samtidig og fluorescens 4-ms integrering samtidig samles i som 400 ms. når flytter imellom prøve steder, både DH lampe og LED er slås av. Ved å nå ønsket prøvetaking porten, DH lampen utløses på og absorbansen prøvetaking betingelsene er satt på spektrometer, etterfulgt av prøvetakingen. DH lampen velges deretter, mens LED skrus på. Prøvetaking prosessen gjentas for fluorescens forhold, og begge lysene slås deretter av.

Slug detection: Flere strøm systemer krever effektiv prøvetaking en kombinasjon av prøvetaking teknikker, som avhenger av hastigheten av bevegelige slug. Terskelen slug hastigheten der en algoritme blir mindre effektive enn enkle snitt fant oppstår på ca 11 mm/s. Ved lavere hastighet systemer, enkelt spectra prøvetaking er utført i uniform intervaller over forventede lengden av 2 væske (ca 1 cm). Innen spectra oppnådd gjennom denne prøvetaking, til 10 optimal spectra i bulk væske midten av sneglen er isolert med en fem-punkts lokale variansen for en bestemt bølgelengde over tid - 400 nm for fluorescens og 380 nm for absorbansen - som vist i Figur 8. Innen høyere væske hastighet systemer, men overgår vinduet tilgjengelig prøvetaking av en enkelt flytte slug effektiv samplingsfrekvensen for spectrometer. I disse tilfellene ble snitt sammen 10 spectra samlet over uniform intervaller funnet for å være tilstrekkelig.

System spesifikasjoner: Gjennom bruk av flere 87 cm forlengelse enheter, kan prøvetaking porter plasseres på reaktoren rør lengder varierende 3-196 cm. Kombinasjonen av varierende strømningshastigheter og flyt-celle bevegelse kan i situ spectral karakterisering på residence ganger spenner 100 ms - 17 minutter med en samplingsfrekvens så høyt som 30000 spectra per dag. Videre ble hver absorpsjon eller fluorescens spektrum oppnådd med spesielt lavt kjemiske forbruk, krever bare 2 µL per spectra ved prøvetaking og 20 µL per spectra samlet (fra oppstart til avslutning). Denne høy samplingsfrekvens og effektivitet kan knyttes til samlingen av opptil 40 unike spectra innenfor ett enkelt equilibrated system gjennom oversette flyt cellen. Etter at reaktoren stabilisering, port justering og pathlength korreksjon prosesser, viste plattformen seg å være nøyaktig for over 30 fulle passerer flyt cellen (figur 9). I karakteristikk av respektive lyskilde signal intensiteten på en toluen referanse, ble det funnet at feilen i antall av en bestemt bølgelengde for hver port igjen innenfor 1% over alle 30 går i både fluorescens og absorpsjon signaler. Stabilitet i reaktoren målesystemet aktivert omfattende materielle oppdagelsen, screening og optimalisering studier utføres med minimal manuell innblanding, noe som resulterer i mer konsekvent datainnsamling fra samme batch av prekursorer.

Utvidet prøvetaking plass: Forholdet mellom væske hastighet og residence har ofte blitt forvirret i eksisterende syntese screening studier. For karakteristikkene implementere en stillestående flyt celle, for eksempel hentes variabel residence ganger ved å justere netto væske hastigheter. Men som beskrevet av tidligere omtalte evalueringen av kinetisk tunability i nanocrystal vekst, denne metoden av reaksjon karakterisering er sannsynligvis ikke nok for studier av et bredt spekter av kolloidalt semiconductor synteser med rask nucleation og vekst kinetics. Dekopling botid fra væske hastigheten ved å bruke en bærbar prøvetaking system utvider prøvetaking plassen på en måte som ikke har utforsket tidligere. Derfor gjør utviklet modulære teknologien oppdagelse og utforskende studier av neste generasjon av kolloidalt nanomaterialer med betydelig forbedret presisjon og kontroll over syntese betingelsene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

North Carolina State University har arkivert en provisorisk patent (#62/558,155) på diskutert microfluidic plattform.

Acknowledgments

Forfatterne erkjenner takknemlig økonomisk støtte fra North Carolina State University. Milad Abolhasani og Robert W. Epps anerkjenner takknemlig støtte fra UNC muligheter TFI (UNC-ROI) stipendet.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Engineering engineering problemet 135 Microfluidics høy gjennomstrømming modularitet mikro-reaksjon perovskite kolloidal nanokrystaller kvante prikker
En modulær Microfluidic teknologi for systematiske studier av kolloidalt Semiconductor nanokrystaller
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Epps, R. W., Felton, K. C., Coley,More

Epps, R. W., Felton, K. C., Coley, C. W., Abolhasani, M. A Modular Microfluidic Technology for Systematic Studies of Colloidal Semiconductor Nanocrystals. J. Vis. Exp. (135), e57666, doi:10.3791/57666 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter