Eine modulare mikrofluidische Technologie für systematische Studien von kolloidalen Halbleiter-Nanokristallen
Summary
Hier detailliert sind die Bedienung und Montage Protokolle der eine modulare mikrofluidische Screening-Plattform für die systematische Charakterisierung von kolloidalen Halbleiter Nanocrystal Synthesen. Durch einstellbaren System Arrangements kann hocheffiziente Spektren Sammlung Skalen 4 Größenordnungen Reaktionszeit innerhalb eines Transfer-gesteuerte Probenahme durchgeführt werden.
Abstract
Eine schnell wachsende Klasse von Materialien in kommerziellen Elektronik, wie Licht emittieren kolloidalen Halbleiter-Nanokristallen, bekannt als Quantum dots (QDs), Dioden (LEDs) und Photovoltaik (PVs). Unter dieser Materialgruppe haben anorganische/organische Perovskites deutliche Verbesserung und Potenzial für eine hocheffiziente und kostengünstige PV-Fertigung aufgrund ihrer hohen Ladung Träger Mobilitäten und Lebenszeiten nachgewiesen. Trotz der Möglichkeiten für Perowskit QDs in großflächige Photovoltaik- und LED-Anwendungen hat der Mangel an grundlegenden und umfassendes Verständnis von deren Wachstum wegen deren Anpassung in kontinuierlichen Nanofertigung Strategien gehemmt. Traditionelle Kolben-basierten Screening Ansätze sind in der Regel teuer, arbeitsintensiv und ungenau für effektiv charakterisieren die breiten Parameter Raum und Synthese Vielfalt für kolloidale QD Reaktionen relevant. In dieser Arbeit ist eine vollständig autonome mikrofluidischen Plattform entwickelt, um große Parameterraum der kolloidalen Synthese von Nanokristallen in einem kontinuierlichen Fluss Format zugeordnet systematisch zu untersuchen. Durch die Anwendung eines Romans drei Anschlüssen Durchflusszelle und modulare Erweiterung Reaktorblöcke zu übersetzen kann das System schnell Fluoreszenz und Absorptionsspektren über Reaktor Längen 3-196 cm sammeln. Die einstellbare Reaktor Länge nicht nur entkoppelt die Verweilzeit von der Geschwindigkeit abhängigen Stoffaustausch, die Sampling-Raten und Chemikalienverbrauch durch die Charakterisierung von 40 einzigartige Spektren innerhalb einer einzigen auch wesentlich verbessert ausgewogenen System. Sample-Raten bis zu 30.000 einzigartige Spektren pro Tag erreichen können, und die Bedingungen decken 4 Größenordnungen in Residenz Zeiten bis 100 ms – 17 min hin. Weitere Anwendungen dieses Systems würde die Rate und die Präzision der materiellen Entdeckung und screening-Untersuchungen in Zukunft erheblich verbessern. In diesem Bericht detailliert sind die System-Materialien und Montage Protokolle mit einer allgemeinen Beschreibung der automatisierten Probenahme Software und offline-Datenverarbeitung.
Introduction
Das Aufkommen von Halbleiter-Nanokristallen, besonders Quantenpunkte, hat bedeutende Fortschritte in der elektronischen Materialien Forschung und Fertigung angetrieben. Beispielsweise zeigt Quantenpunkt LED1 bereits in kommerziell erhältlichen “QLED” eingeführt worden. Vor kurzem haben die Perovskites unter dieser Klasse von Halbleitern, erhebliches Interesse und Forschung in Richtung High-Efficiency und kostengünstige PV-Technologien ausgelöst. Seit die erste Demonstration einer Perowskit-basierte PV im Jahr 2009 hat2 Labormaßstab-Wirkungsgrad von Perowskit-basierte Solarzellen mit einer Rate von keiner PV-Technologie in der Geschichte beispiellose erhöht. 3 , 4 zusätzlich das treibende Interesse an Perowskit-basierte PVs, eine Vielzahl von aktuellen Methoden beschreiben die facile kolloidale Synthese von Perowskit-Nanokristallen haben die Möglichkeit geschaffen für Low-Cost-, Lösungsphase Verarbeitung von Perowskit QDs in kommerzielle Elektronik. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14
In die Bemühungen um eine groß angelegte Nanofertigung von kolloidalen Perowskit QDs müssen zunächst ein besseres grundlegenden Verständnis der Wege, Nanocrystal Wachstum und eine wirksame Kontrolle der Reaktionsbedingungen entwickelt werden. Vorhandene Studien dieser Prozesse haben jedoch bisher auf Kolben-basierte Ansätze verlassen. Batch Synthesestrategien präsentieren eine Vielzahl von Einschränkungen in Bezug auf die Materialcharakterisierung und Produktion, aber erheblich, Kolben-basierte Techniken sind höchst ineffizient in screening-Zeit und Vorläufer Verbrauch und zeigen Küvette größenabhängige Stoffaustausch Eigenschaften, die die Konsistenz der Synthese zu hemmen. 15 um die Wachstums-Wege von kolloidalen Halbleiter-Nanokristallen effektiv über die Vielzahl der gemeldeten Synthesen Verfahren und innerhalb der breiten relevanten Probenraum zu studieren, ist ein effizienteres Screening-Verfahren erforderlich. In den letzten zwei Jahrzehnten eine Reihe von mikrofluidischen Strategien wurden entwickelt für Studien der kolloidale Nanokristalle nutzt die wesentlich geringeren Chemikalienverbrauch, die Zugänglichkeit von Hochdurchsatz-Screening-Verfahren und das Potenzial für eine Prozessimplementierung Steuerung kontinuierliche Synthese Systeme. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20
In dieser Arbeit berichten wir das Design und die Entwicklung einer automatisierten mikrofluidischen Plattform für die Hochdurchsatz- in Situ -Untersuchungen von kolloidalen Halbleiter-Nanokristallen. Ein Roman übersetzen Durchflusszelle, sehr modular aufgebaut und die Integration der handelsübliche Rohrreaktoren und fluidische Anschlüsse bilden eine einzigartige und flexible rekonfigurierbare Plattform mit direkten Anwendungen bei der Entdeckung, Screening und Optimierung der kolloidale Nanokristalle. Aufbauend auf die translationale Fähigkeit unserer Erkennung Technik (d.h. einer Durchflusszelle mit drei Anschlüssen), zum ersten Mal, zeigen wir die systematische Entkopplung der Misch- und Reaktion Fristen, bei gleichzeitiger Verbesserung der Probenahme Effizienz und Sammlung Preise gegenüber herkömmlichen stationären Strömung Zelle Ansätzen. Die Nutzung dieser Plattform ermöglicht hohen Durchsatz und präzise Bandlücke Engineering kolloidalen Nanocrystal Synthesen in Richtung kontinuierliche Nanofertigung Strategien.
Protocol
Representative Results
Discussion
Automatische Probenahme-System: Autonome Betrieb der Screening-Plattform erfolgt mit einer Zentralsteuerung finite State Machine. Bewegung zwischen diesen Zuständen erfolgt sequentiell mit mehrere rekursive Segmente für Betrieb über eine unterschiedliche Anzahl von Stichproben Bedingungen zu ermöglichen. Das allgemeine Systemsteuerelemente können in 3 Kern Stufen unterteilt werden. Zunächst beginnt das System mit einer Initialisierung Schritt, schafft Kommunikation über jede USB-gesteuerte Kompone…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren erkennen dankbar die finanzielle Unterstützung durch die North Carolina State University. Milad Abolhasani und Robert W. Epps bestätigen dankend finanziellen Unterstützung aus der Gewährung von UNC-Research Initiative “Chancen” (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 |
Riferimenti
- 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).
