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.
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Protocol
1. reattore Assembly
Figura 1 . Illustrazione passo passo di un processo di assemblaggio di piattaforma campione. I pannelli Mostra un'illustrazione passo passo di un processo di assemblaggio di piattaforma di esempio dettagliare (i) la disposizione iniziale della fase di traduzione e detentori di ottico post sul pane montaggio ampio, (ii) il montaggio del tubo precursore in fase di montaggio e il flusso delle cellule sul post ottico, (iii) il collegamento della tubazione microfluidici alla croce-giunzione personalizzato che è sotto la trasparenza per rivelare vie di flusso, (iv) il fissaggio del tubo precursore mentre il posizionamento contemporaneamente la prima unità di campionamento, (v) la successiva connessione di unità di campionamento supplementare con il tubo del reattore attraversano ogni modulo, unità di estensione (vi) il percorso della tubazione del reattore e (vii) il fissaggio dell'unità finale campionamento per sostenere la struttura e l'ottico post. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Nota: A causa della vasta gamma di configurazioni possibili, il processo esatto montaggio della piattaforma microfluidica potrebbe variare; Tuttavia, i metodi generali sono le stesse per tutti gli accordi. Dettaglio a seguire e nella Figura 1 è il processo di assemblaggio di piattaforma per un formato di flusso due-precursore, multifase con un'unità singola estensione dopo il porto di 14th campionamento.
- Garantire la fase di traduzione e post ai titolari di breadboard ottico. Collegare il cella di flusso e fase montaggio di giunzione per il post e fissarli alla piattaforma.
- Legare il tubo reattore e precursore linee fino al bivio di croce personalizzato e il tubo attraverso i canali in palcoscenico rialzato per mangimi. Garantire che ogni segmento di tubo viene tagliato a una lunghezza che può raggiungere comodamente il flaconcino di pompa o raccolta di rispettivi siringa.
- Collegare la prima unità di campionamento porta sul palco di giunzione e fissare il coperchio della linea precursore per la fase di montaggio rialzato, protezione di tutti i componenti tubolari e la prima unità di campionamento in luogo.
- Aggiungere ulteriori reattore modulare unità eseguendo la tubatura del reattore attraverso il componente desiderato e i segmenti di collegamento al resto della struttura assemblata. Costruire le unità dal bivio fino ad ottenere la lunghezza desiderata e la disposizione.
Nota: Il tubo reattore dovrebbe andare bene saldamente all'interno di ogni unità. Deformazioni della tubazione (stretching, piegatura, ecc.) influenzano significativamente la potenza del segnale ottico. - Fissare la struttura di supporto all'uscita dell'ultimo segmento di campionamento e fissare il supporto per l'ottica post collegato alla breadboard.
- Collegare le linee di alimentazione del sistema a flusso alle pompe siringa computerizzato e alimentano l'uscita del reattore una fiala di raccolta azoto gas pressurizzata (~ 12 psig).
- Collegare 3 patch cord in fibra ottica per i porti di cella di 3 flusso e collegare le estremità opposto allo spettrometro, fonte di luce LED e deuterio-alogena (DH) rispettivamente. Assicurarsi che i cavi siano in grado di muoversi agevolmente con l'intera lunghezza della fase di traduzione e senza alcuno sforzo inutile il loro collegamento con la cella di flusso per montaggio piattaforma (come mostrato nella Figura 2).
2. precursore preparazione
Nota: La reazione sistema di screening può essere applicata alla sintesi di vari nanocristalli semiconduttori colloidali; Tuttavia, ai fini della piattaforma di sviluppo e convalida, una sintesi di perovskite CsPbBr3 , adattato da Wei et al. 6 per soddisfare meglio le analisi di flusso, è stato usato come una reazione di caso di studio. Il processo di preparazione del precursore è descritto di seguito.
- Preparare 15 mL di precursore bromuro 0,013 M combinando 109 mg di bromuro di broncodilatatore, 1 mL di acido oleico e 14 mL di toluene in un flaconcino da 20 mL sigillato.
- Agitare energicamente la miscela a temperatura ambiente fino ad ottenuta una soluzione limpida.
- Preparare 48 mL di precursore al cesio-piombo 0,0021 M di primo combinando 0,6 mmol di idrossido di cesio, 0,6 mmol di ossido di piombo e 3 mL di acido oleico in un flaconcino da 8 mL sigillato con un setto.
- Forare il setto con un ago per la ventilazione e riscaldare la soluzione a 160 ° C in bagno d'olio e mescolate energicamente sino ad ottenere una soluzione limpida (circa 15 minuti).
- Spostare la fiala e l'ago in un forno e riscaldarli a 120 ° C per 1 h, poi rimuovere l'ago di ventilazione e lasciare agire la soluzione raffreddare a temperatura ambiente all'aria aperta.
- Aggiungere 0,5 mL della miscela al cesio-piombo ad alta concentrazione a 47,5 mL di toluene in un flaconcino da 50 mL sigillato e mescolare energicamente.
- Caricare il precursore di bromuro e diluire il precursore al cesio-piombo nel loro rispettivi siringhe e iniziare il processo di caratterizzazione automatizzata senza soluzione di continuità i due precursori alle condizioni desiderate (vedi passo 3).
Nota: Per gli esperimenti dettagliati sotto Rappresentante risultati, rapporti di iniezione volumetrica di 6.4:1 di cesio-piombo al bromuro e 1:1 di fase portante gas a liquido netto sono stati utilizzati a velocità di flusso totale variabile.
3. funzionamento dell'interfaccia
Nota: La totalità della raccolta viene effettuata attraverso la piattaforma automatizzata reazione dopo che l'utente specifica una serie di condizioni di flusso da testare. Le procedure generali per il funzionamento dell'interfaccia utente durante questo periodo iniziale di ingresso sono dettagliate sotto.
- Aprire il software di funzionamento automatizzato per visualizzare il pannello frontale dell'interfaccia utente (illustrato nella Figura 3).
- Spostare il pannello impostazioni di spettrometro e iniziare a riempire tutti gli ingressi.
- Incollare il percorso del file per i dati desiderati, salvare la cartella nella finestra principale di File per i dati .
- In VISA spettrometro, selezionare l'indirizzo di connessione USB per lo spettrometro. Se non è noto l'indirizzo USB spettrometro, identificare la sua posizione attraverso la pagina di Gestione periferiche del desktop.
- Selezionare il tempo di integrazione, il numero degli spettri di media per campionee il numero degli spettri da salvare per ogni condizione per fluorescenza (influenza) e assorbimento (Abs) . Nel caso la sintesi dettagliata nel passaggio 2, impostare un tempo d'integrazione di 12 ms per l'assorbimento e 4 ms per la fluorescenza una media di oltre 10 spettri.
- Se che caratterizzano monofase portata, passare al passaggio successivo, lasciando il pulsante multifase fuori. Se che caratterizzano il flusso multifase, selezionare il pulsante multifase e impostare la lunghezza minima del campione in modo che circa 2 complete gas-liquido oscillazioni possono passare il punto di campionamento. Quindi assegnare il numero di campioni da prendere all'interno di quella finestra di campionamento.
Nota: La risoluzione-tempo di campionamento all'interno di una multi-fase flusso può essere limitata dalle impostazioni di spettrometro e regolazioni possono essere necessari se in cerca di una risoluzione più alta.
- Spostare il pannello di configurazione della pompa e iniziare a riempire tutti gli ingressi.
- Sotto COM 1 siringa, siringa 2 COM e Doppia pompa COM, è necessario assegnare gli indirizzi di comunicazione USB per tutte le pompe. Vedere il punto 3.2.2 per il processo di identificazione di indirizzo.
- Impostare i diametri interni di siringa, che può essere trovato nell'interfaccia di pompa o all'interno di manuali della siringa, per tutte le siringhe in uso. Per le configurazioni non implementando tutte le siringhe, lasciare i diametri di siringa estranei i valori predefiniti.
- Se raccogliendo gli spettri di assorbimento riferimento, identificare una soluzione accettabile in bianco, caricarla in una siringa collegata e impostare i rispettiva siringa a una velocità moderata (circa 300 µ l/min) nei rispettivi casella di portata di Ref .
- Spostare il pannello di configurazione del sistema e iniziare a riempire tutti gli ingressi.
- Se le posizioni di fase sono state ottimizzate e vengono visualizzate correttamente in posizioni di Stage, selezionare il pulsante posizione precedente uso e passare alla fase successiva. Se le posizioni di fase non sono state ottimizzate, assegnare una dimensione di finestra di posizione di fase e le posizioni di fase approssimativa (all'interno della gamma di posizione) utilizzando un vettore di CSV e la casella percorso File di collegamento. Lasciare la casella fase incremento a 0,5 mm e la casella di Avvio passa alle 8.
- Calcolare il volume del segmento reattore dal centro della giunzione per la porta di campionamento finale e input tale valore nella casella volume di sistema . Lasciare il tempo minimo di equilibrio alle 10 s.
- Controllare la precisione di tutti gli input e selezionare il pulsante Esegui in alto a sinistra dell'interfaccia.
Nota: Ingressi sul pannello anteriore non possono essere cambiati una volta che il software ha iniziato il suo funzionamento. - Nella finestra Salva spettri di riferimento , selezionare Sì se gli spettri di riferimento verranno salvati o No , se non lo faranno.
- Nella finestra Set portate di condizione , selezionare fino a 30 configurazioni di tasso di flusso desiderato per testare, lasciando tutti gli ingressi inutilizzati siringa vuota.
- Selezionare OK e consentire al sistema di eseguire fino a quando tutte le condizioni desiderate sono state campionate; il sistema si spegne da sola. Se il sistema deve essere interrotto per qualsiasi motivo, selezionare il pulsante Stop presto e consentire il processo di arresto.
Attenzione: Utilizzando l' interruzione pulsante in alto a sinistra dell'interfaccia non permetterà al sistema di arrestare pompe o fonti di luce, potenzialmente danneggiare apparecchiature e/o che presentano un rischio significativo per la salute tramite esposizione alla luce UV.
4. Pathlength correzioni
- Per ottenere la correlazione di correzione pathlength per ogni porta, prima di iniettare una soluzione stabile di perovskiti dislocati in toluene nel segmento reattore fino a quando il tubo reattore è riempito uniformemente.
- Esegui il processo di campionamento automatico su questa soluzione uniforme per 4 pass completo del flusso delle cellule (vedere il passaggio 3 per la procedura di funzionamento).
- Applicare le correzioni di linea di base per gli spettri di assorbimento e fluorescenza, quindi media in generale per i passaggi di posizione delle porte. Normalizzare tutte le curve in riferimento le intensità di lunghezza d'onda a 455 nm e 485 nm per assorbimento e fluorescenza rispettivamente (Vedi Figura 4).
- Utilizzare il fattore di normalizzazione calcolato ad ogni porta per scalare proporzionalmente le curve di tutti gli spettri successivi.
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Representative Results
Spettri di esempio: Utilizzando la piattaforma microfluidica discusso, le fasi di nucleazione e crescita dei nanocristalli semiconduttori colloidale alla temperatura di sintesi possono essere direttamente studiate monitorando l'evoluzione temporale degli spettri di assorbimento e fluorescenza il nanocristalli formata sotto condizioni di miscelazione uniforme. Figura 5 A Mostra un set di esempio degli spettri ottenuti all'interno di un singolo passaggio di cella di flusso tre-orificio. Mentre le distribuzioni di lunghezza d'onda di emissione solo forniscono informazioni preziose verso applicazioni a LED di alta qualità di fabbricazione, montaggio le energie bandgap di assorbimento e di emissione all'interno di modelli di approssimazione di massa efficace sperimentalmente convalidati consentirebbe il monitoraggio continuo delle distribuzioni di dimensione delle nanoparticelle in tutto le sintesi. 14 insiemi equivalenti degli spettri sono stati ottenuti alle varie portate e lunghezze del reattore, che ha permesso per una raccolta di dati attraverso residence volte spanning 100 ms - 17 min.
Cineticamente sintonizzabile nanocristalli: I modelli assialsimmetrici ricircolo formata all'interno dei segmenti liquidi di flusso multifase consente il controllo del trasferimento di massa dipendente dalla velocità. 21 uno studio della scala cronologica miscelazione dipendente dalla velocità di tempo di residenza ha dimostrato la cinetica accordabilità nelle vie di crescita nanocristallo per QD perovskite (Vedi Figura 5B). La nostra piattaforma modulare sviluppata permette, per la prima volta, uno studio sistematico dell'effetto del tempo di miscelazione fase iniziale il finale proprietà ottiche di nanocristalli formata. Attraverso le variazioni nella velocità reattiva slug, mantenendo tutti gli altri parametri costante, una differenza nella lunghezza d'onda emissione di picco grande come 25 nm a un tempo di residenza equivalente è stata osservata. Ulteriori valutazioni del sistema colloidale illustrato che la differenza osservata in lunghezza d'onda di emissione è stata mantenuta al residence più volte, conseguente nanocristalli stabile, cineticamente sintonizzabile. 15
Figura 2 . Completamente montato piattaforma di screening automatizzato di reazione. Questa figura mostra una reazione automatica completamente montata piattaforma con un'unità di estensione unico reattore tra i 14th e 15th di screening porta di campionatura. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 . Interfaccia utente per il funzionamento della piattaforma automatizzata. Questo pannello mostra l'interfaccia utente, che consente il controllo e messa a punto di parametri quali i tassi di flusso di siringa, condizioni di misurazione spettrometro e posizione, per la caratterizzazione attraverso una vasta gamma di semiconduttori colloidali di campionamento sintesi di nanocristalli. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 . Processo per la correzione di pathlength. Questo pannello mostra il processo di correzione pathlength dalla porta usando A. spettri di assorbimento raccolti oltre 20 porte di campionamento con B. gli spettri normalizzati rispetto l'assorbanza a 455 nm su una soluzione di colloidale CsPbBr3 perovskiti dispersi in toluene e C. rispettivi fotoluminescenza (PL) spettri D. normalizzato per l'intensità di segnale 485 nm. Adattato da Epps et al. 15 con permesso del The Royal Society of Chemistry. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Nella figura 5. Gli spettri del campione e la dimostrazione di accordabilità cinetico. Questi pannelli show A. assorbimento (A) e spettri di fluorescenza (I) raccolti all'interno di un singolo passaggio di cella di flusso su un multifase, reattivo CsPbBr3 perovskite sistema muove a una velocità di lumaca medio di circa 0,2 cm/s e B. il picco di fluorescenza lunghezza d'onda (λP) in funzione del tempo di permanenza complottato per 11 velocità lumaca media diversi che vanno da 0,6 a 130 mm/s con spettri di fluorescenza del campione mostrato al residence volte e lumache velocità di 200 s e 1,0 mm/s (in alto) , 0,9 s e 75 mm/s (medio) e 0,9 s e 130 mm/s (in basso). Adattato da Epps et al. 15 con permesso del The Royal Society of Chemistry. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6 . Diagramma di flusso di processo per il processo di raccolta dati complessivi controllato via software. Ciò include l'inizializzazione dell'hardware di processo, le progressioni di campionamento ricorsiva e l'arresto finale della piattaforma. Adattato da Epps et al. 15 con permesso del The Royal Society of Chemistry. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7 . Diagramma di flusso processo software automazione per il metodo di assegnazione di posizione porta. L'algoritmo viene eseguito prima di un determinato numero di passaggi di cella di flusso, seguita da un rilevamento ottimale porta attraverso la lettura di spettrometro dell'intensità del segnale LED di stabilizzazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8 . Campione di isolamento multifase spettri. Questi pannelli mostrano l'isolamento di spettri multifase di campione per A. fluorescenza a 500 nm e B. assorbanza a 380 nm nel tempo per una soluzione di perovskiti dispersi in toluene. Regione verde indica la gamma di tempi di campionamento ideale. Pannello di C. Mostra gli spettri di assorbimento (soluzione di fluorescina) confronto tra i metodi di campionamento multi-fase per quanto riguarda la velocità di lumaca. "Det" indica che è stato applicato l'algoritmo di rilevamento di spina, e "Avg" indica che i campioni erano rilevati ad intervalli regolari di tempo e una media insieme. Si noti che il metodo di rilevamento plug applicato al mobile più lenta lumache prodotti equivalente spettri come media semplice del sistema alta velocità. Adattato da Epps et al. 15 con permesso del The Royal Society of Chemistry. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9 . Dimostrazione della stabilità di misura attraverso fase passa. Questa è una dimostrazione della stabilità misura attraverso passaggi di fase utilizzando A. l'intensità del segnale di assorbimento a 500 nm e B. l'intensità della fluorescenza a 380 nm su un riferimento di toluene normalizzato di località per la porta e una media di oltre 30 pass completo di cella di flusso. Le barre di errore indicano un intervallo di confidenza del 95% e non valori deviato oltre ± 1% della media di lettura. Adattato da Epps et al. 15 con permesso del The Royal Society of Chemistry. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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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 attraverso ogni componente USB-controllato, automaticamente definisce i percorsi di salvataggio dei file e richiede per gli input dell'utente iniziale. Il programma viene eseguito quindi attraverso il processo di campionamento per ogni condizione di reazione immesso fino a quando tutti i dati desiderati sono stati raccolti. Infine, un processo di terminazione restituisce tutto l'hardware nella posizione di partenza prima di terminare l'operazione di script. Il movimento generale all'interno di questo software è dettagliato nella Figura 6.
Rilevamento di porta: Nel quadro di automazione principali sono diverse sottofunzioni critici che permettono caratterizzazioni di reazione efficace ed efficiente. In primo luogo, la figura 7 Mostra una porzione del segmento "Inizializzazione" dove le posizioni di porta di campionamento sono definite per la fase di traduzione. La funzione di rilevamento di porta prima stabilizza il segmento di reattore imitando il movimento delle cellule di flusso lungo il reattore per 8 passaggi completo. La posizione ottimale porta quindi rileva l'intensità della fluorescenza di campionamento attraverso una finestra di 1 mm intorno alla posizione stimata e selezionando la posizione dell'intensità massima. Questa posizione viene salvata per ogni porta e utilizzata come le posizioni di fase durante le procedure di campionamento successive.
Attivazione/disattivazione di sorgente luminosa: Gli spettri di assorbimento e fluorescenza efficienti all'interno della cella di flusso tre-orificio di campionamento è effettuato con una sorgente di luce automatizzata sistema di attivazione/disattivazione. Una volta raggiunta la porta di campionatura, 10 spettri per entrambi assorbanza a un tempo di integrazione 15-ms e fluorescenza in un momento di integrazione 4-ms possono essere raccolti in appena 400 ms quando si spostano tra posizioni di esempio, sia la lampada di DH e LED sono disattivata. Dopo aver raggiunto il porto di campionamento desiderata, la lampada di DH è attivata e le condizioni di campionamento di assorbanza sono impostate sullo spettrometro, seguito dalla raccolta del campione. La lampada di DH è quindi disattivata, mentre il LED è attivato. Il processo di campionamento viene ripetuto per le condizioni di fluorescenza, ed entrambe le luci sono poi spento.
Slug rilevazione: Nei sistemi di flusso multifase, campionario efficiente richiede una combinazione di tecniche di campionamento, che variano a seconda della velocità del movimento slug. La velocità di soglia slug dove un algoritmo di rilevamento diventa meno efficace di una semplice media è stata trovata per accadere in circa 11 mm/s. Nel caso di sistemi di velocità inferiore, singoli spettri di campionamento avviene a intervalli uniformi su tutta la lunghezza stimata di 2 lumache fluidi (circa 1 cm). All'interno gli spettri ottenuti attraverso questo processo di campionamento, 10 spettri ottimali al centro di fluido di massa del slug sono isolati utilizzando una varianza di cinque-punto locale di una determinata lunghezza d'onda nel tempo - 400 nm per fluorescenza e 380 nm per assorbanza - come mostrato in Figura 8. All'interno di sistemi di velocità del fluido superiori, tuttavia, la finestra di campionamento disponibili di un singolo movimento lumaca supera la frequenza di campionamento effettiva dello spettrometro. In questi casi, in media insieme 10 spettri raccolti negli intervalli uniformi è stata trovata per essere sufficiente.
Specifiche di sistema: Attraverso l'applicazione di più unità di estensione 87cm, porte di campionamento può essere posizionato in lunghezza di tubazione reattore variabile 3-196 cm. La combinazione di tassi variabili di flusso e movimento di cella di flusso consente in situ caratterizzazione spettrale al residence tempi che vanno 100 ms - 17 minuti con una frequenza di campionamento alta come 30.000 spettri al giorno. Inoltre, ogni spettro di assorbimento o la fluorescenza è stata ottenuta con in particolare basso consumo chimico, che richiede solo 2 µ l per spettri al momento del campionamento e 20 µ l per spettri complessivo (dall'avvio all'arresto). Questa elevata frequenza di campionamento e l'efficienza può essere attribuiti alla raccolta di fino a 40 spettri univoci all'interno di un unico sistema equilibrato attraverso la traduzione cella di flusso. Dopo aver applicato il reattore stabilizzazione, allineamento porta e processi di correzione pathlength, la piattaforma è stata indicata per essere precisi per oltre 30 pass completo di cella di flusso (Figura 9). In una caratterizzazione delle intensità segnale sorgente di luce su un riferimento di toluene, è stato trovato che l'errore nei conteggi di una certa lunghezza d'onda per ogni porta è rimasto entro l'1% attraverso tutti i 30 pass in segnali la fluorescenza e l'assorbimento. Questa stabilità nel sistema di misurazione del reattore abilitato vasti studi di individuazione, selezione e ottimizzazione materiale da effettuarsi con la minima interferenza manuale, con conseguente più consistente raccolta di dati dallo stesso lotto di precursori.
Spazio di campionamento esteso: Il rapporto tra tempo di velocità e residence fluido ha spesso confusi nella sintesi esistenti, studi di screening. Per caratterizzazioni di implementazione di una cella di flusso stazionario, per esempio, tempi di permanenza variabili sono ottenuti regolando la velocità del fluido netta. Tuttavia, come indicato dalla valutazione precedentemente discussa di cinetica accordabilità in crescita del nanocristallo, questo metodo di caratterizzazione di reazione è probabile insufficiente per gli studi di una vasta gamma di sintesi colloidale semiconduttore con veloce nucleazione e cinetica di crescita. Il tempo di permanenza dalla velocità del fluido il disaccoppiamento applicando un sistema di campionamento portatili espande lo spazio di campionamento in un modo che non è stato esplorato in precedenza. La tecnologia modulare sviluppata consente pertanto, scoperta e studi esplorativi della prossima generazione di nanomateriali colloidale con significativamente maggiore precisione e controllo delle condizioni di sintesi.
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Disclosures
North Carolina State University ha archiviato un brevetto provvisorio (n. 62/558.155) sulla piattaforma microfluidica discusso.
Acknowledgments
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
| 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).
