胶体半导体纳米晶系统研究的模块化微流控技术
Summary
本文详细介绍了一种用于胶体半导体纳米晶合成系统表征的模块化微流控屏蔽平台的操作和组装协议。通过完全可调的系统安排, 高效率的光谱收集可以在一个质量转移控制取样空间内跨4级的反应时间尺度进行。
Abstract
胶体半导体纳米晶, 称为量子点 (QDs), 是一个快速增长的类材料在商业电子, 如发光二极管 (led) 和光伏 (PVs)。在这一物质群中, 无机/有机 perovskites 在高电荷载流子导纳和寿命的情况下, 对高效、低成本的光伏制造具有显著的改善和潜力。尽管钙钛矿 QDs 在大型光伏发电和 LED 应用方面有机会, 但缺乏对其生长途径的基本和全面的了解, 阻碍了它们在连续纳米制造战略中的适应能力。传统的烧瓶筛选方法一般是昂贵的, 劳动密集型的, 不精确的, 以有效地表征广泛的参数空间和合成品种有关的胶体的反应。在这项工作中, 开发了一个全自主的微流控平台, 系统地研究了在连续流格式中与纳米晶胶体合成相关的大参数空间。该系统通过应用一种新的三端口流单元和模块化反应器扩展单元, 可快速采集 3-196 厘米范围内的荧光光谱和吸收光谱。可调整的反应器长度不仅分离的停留时间从速度依赖的传质, 它也极大地提高采样率和化学消耗量由于40唯一光谱的描述在一个单一平衡系统。采样率每天可达3万种独特的光谱, 条件涵盖 100 ms-17 分钟不等的居住时间4级。该系统的进一步应用将大大提高今后研究中材料发现和筛选的速度和精确度。本报告中详细介绍了系统材料和组装协议, 其中概述了自动取样软件和离线数据处理。
Introduction
半导体纳米晶, 特别是量子点的出现, 推动了电子材料研究和制造领域的重大进步。例如, 量子点指示灯1已经在商用的 “QLED” 显示中实现。最近, 在这类半导体中, perovskites 已经引起了对高效率和低成本光伏技术的大量兴趣和研究。自从2009年第一次以钙钛矿为基础的光伏演示以来,2在历史上的任何光伏技术中, 以钙钛矿为基础的太阳能电池的实验室规模功率转换效率都以无与伦比的速度增长。3,4除了以钙钛矿为基础的 PVs 的驱动兴趣外, 最近的各种方法描述了钙钛矿纳米晶的简便胶体合成, 为钙钛矿 QDs 的低成本、溶液相处理创造了机会。商用电子产品。5,6,7,8,9,10,11,12,13,14
在对胶体钙钛矿 QDs 进行大规模纳米制造的努力中, 首先必须对纳米晶生长通路和有效控制反应条件有更好的基本认识。然而, 对这些过程的现有研究传统上依赖于基于烧瓶的方法。批综合策略在材料表征和生产方面呈现出各种固有的局限性, 但最显著的是, 基于烧瓶的技术在筛选时间和前体消耗方面效率极低, 并表明烧瓶尺寸依赖性传质性质, 抑制合成一致性。15为了有效地研究胶体半导体纳米晶的生长途径, 通过大量的报告合成程序, 并在广泛的相关样品空间内, 需要更有效的筛选技术。在过去的两年中, 开发了一系列微流控技术, 用于研究胶体纳米晶, 利用化学消耗大大降低, 高通量筛选方法的可获得性, 以及可能的连续合成系统中的过程控制实现。12,16,17,18,19,20
在这项工作中, 我们报告的设计和开发的自动化微流控平台的高通量原位研究胶体半导体纳米晶。一种新颖的平移流单元、高度模块化的设计, 以及现成的管式电抗器和射流连接的集成, 形成了一个独特且适应性强的可重构平台, 直接应用于发现、筛选和优化胶体纳米晶。利用我们的检测技术 (即三端口流单元) 的平移能力, 首次证明了混合和反应时间刻度的系统解耦, 同时改进了取样效率和收集率超过传统的固定流动细胞方法。利用该平台, 使胶体纳米晶合成的高通量和精密带隙工程朝着连续的纳米制造策略发展。
Protocol
Representative Results
Discussion
自动取样系统:采用中央控制有限状态机进行屏蔽平台的自主运行。这些状态之间的移动依次与多个递归段一起进行, 以允许在不同的采样条件下进行操作。一般系统控制可分为3个核心阶段。首先, 系统从初始化步骤开始, 通过每个 USB 控制组件建立通信, 自动定义文件保存路径, 并提示输入初始用户。然后, 该程序在采样过程中对每个进入的反应条件运行, 直到收集到所有所需的数据为?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者感激地感谢北卡罗来纳州立大学提供的财政支持。米拉德 Abolhasani 和罗伯特 w. 无害技术有限公司感激地承认从 unc 研究机会倡议 (unc ROI) 赠款的财政支持。
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 |
Referências
- 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).
