Модульная технология Microfluidic для систематического исследования коллоидных полупроводниковых нанокристаллов
Summary
Подробно здесь являются протоколы операции и Ассамблеи Модульная microfluidic скрининг платформы для систематического описания синтезов коллоидных полупроводниковых Нанокристаллические. Благодаря полностью регулируемой системы механизмов высокоэффективных спектры коллекции может осуществляться через время реакции Весы 4 порядков в массовых передачи контролируемых выборки пространстве.
Abstract
Коллоидный полупроводниковых нанокристаллов, известный как квантовых точек (QDs), являются быстро растущего класса материалов в коммерческих электроники, таких как свет излучающие диоды (СИД) и фотоэлектрические (PV). Среди этой группе материалу органических/неорганических перовскитов продемонстрировали значительное улучшение и потенциал к высокой эффективности, низкой стоимости PV производство из-за их высокой обязанности перевозчика подвижности и жизни. Несмотря на возможности для перовскита QDs в крупномасштабных приложений PV и светодиодные отсутствие понимания фундаментальных и всеобъемлющих путей их роста препятствует их адаптации в рамках непрерывной nanomanufacturing стратегии. Традиционные на основе колбу скрининг подходы, как правило, дорогих, трудоемкий и неточные эффективно характеризующих широкий параметр пространства и синтез различных отношение к коллоидных QD реакций. В этой работе полностью автономные microfluidic платформа разработана систематически изучать пространство большой параметр, связанный с коллоидного синтеза нанокристаллов в виде непрерывного потока. Путем применения Роман перевод трех порт потока ячеек и модулей расширения модульного реактора система может быстро собирать флуоресценции и спектров поглощения через реактор длины в диапазоне 3-196 см. Длина регулируемый реактор не только отделяет время пребывания от массообмена зависит от скорости, также существенно улучшает дискретизации и химического потребления из-за характеристик 40 уникальных спектров в единый уравновешенной системы. Дискретизации может достигать до 30000 уникальных спектры в день, и условия охватывают 4 порядков в резиденции раз начиная 100 мс – 17 мин. Дальнейшее применение этой системы будет существенно улучшить скорость и точность материала обнаружения и проверки в будущем исследования. Подробно в настоящем докладе, являются материалы системы и протоколы Ассамблеи с общее описание автоматической выборки программного обеспечения и его автономной обработки данных.
Introduction
С появлением полупроводниковых нанокристаллов, особенно квантовых точек, загнал значительный прогресс в электронных материалов исследований и производства. Например Квантовая точка светодиоды1 уже были реализованы в коммерчески доступных «QLED» отображается. Совсем недавно среди этого класса полупроводников, перовскитов вызвали значительный интерес и исследований к высокой эффективности и низкой стоимости Фотоэлектрических технологий. С первой демонстрации на основе перовскита PV в 2009 году,2 лаборатории шкалы эффективности преобразования энергии на основе перовскита солнечных батарей возросло со скоростью беспрецедентную любой Фотоэлектрической технологии в истории. 3 , 4 в дополнение к управляя интерес на основе перовскита PVs, целый ряд недавних методы описания снисходительный коллоидного синтеза перовскита нанокристаллов создали возможность для лоу кост, решение фаза обработки перовскита QDs в коммерческие электроника. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14
В усилиях на пути крупномасштабной nanomanufacturing коллоидных перовскита QDs сначала должны разрабатываться более глубокого понимания путей роста Нанокристаллические и эффективный контроль условий реакции. Однако существующие исследования этих процессов традиционно полагались на подходы, основанные на колбу. Пакетный синтеза стратегии представляют различные внутренние ограничения с точки зрения характеристик материала и производства, но наиболее значительно, методы, основанные на колбу крайне неэффективно в скрининг затраты времени и прекурсоров и продемонстрировать настой массообмена зависит от размера свойства, которые ингибируют синтез последовательности. 15 эффективно изучить пути роста коллоидных полупроводниковых нанокристаллов через большое разнообразие процедур сообщили синтезы и в рамках широкого соответствующих образцов пространства, более эффективный способ проверки не требуется. За последние два десятилетия, спектр microfluidic стратегии были разработаны для исследования коллоидных нанокристаллов, используя значительно меньше химического потребления, доступность методов высокопроизводительного скрининга и потенциал для процесс реализации элемента управления в системах непрерывного синтеза. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20
В этой работе мы сообщаем, Дизайн и разработка автоматизированных microfluidic платформа для высокой пропускной способности в situ исследования коллоидных полупроводниковых нанокристаллов. Роман перевод потока клеток, высоко модульный дизайн и интеграция готовых трубчатые реакторы и оптимизированных соединения образуют уникальный и адаптируемая реконфигурируемая платформа с прямого применения в открытие, скрининг и оптимизации коллоидный нанокристаллов. Опираясь на поступательной возможности нашей методики обнаружения (например, ячейка 3 портовый потока), в первый раз, мы демонстрируем, систематическое разделение смешивания и реакция сроками, одновременно улучшая выборки показатели эффективности и коллекции над традиционными стационарный поток ячейки подходы. Использование этой платформы позволяет высокой пропускной способностью и точные зазор полосы инженерных синтезов коллоидных Нанокристаллические к непрерывной nanomanufacturing стратегии.
Protocol
Representative Results
Discussion
Автоматизированная система отбора проб: Автономная операция проверки платформы осуществляется с центрального управления конечного автомата. Передвижение между этими государствами происходит последовательно с несколькими сегментами рекурсивных для проведения операции че…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы с благодарностью признаем финансовую поддержку, оказываемую университета штата Северная Каролина. Милад Abolhasani и Роберт W. ЭПТ с благодарностью признаем финансовой поддержке гранта UNC исследований возможностей инициативы (КООН-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).
