NC State forskare har utvecklat ett mikrofluidiskt system för att syntetisera perovskitkvantprickar som drastiskt minskar tillverkningskostnaderna, kan ställas in på begäran till vilken färg som helst och möjliggör processövervakning i realtid för att säkerställa kvalitetskontroll. Kredit:Milad Abolhasani, NC State University
Forskare från North Carolina State University har utvecklat ett mikrofluidiskt system för att syntetisera perovskitkvantprickar över hela spektrat av synligt ljus. Systemet minskar tillverkningskostnaderna drastiskt, kan ställas in på begäran till vilken färg som helst och möjliggör processövervakning i realtid för att säkerställa kvalitetskontroll.
Under de senaste två decennierna, kolloidala halvledarnanokristaller, känd som quantum dots (QDs), har dykt upp som nya material för tillämpningar som sträcker sig från biologisk avkänning och bildbehandling till LED-skärmar och solenergiskörd. Det nya systemet kan användas för att kontinuerligt tillverka högkvalitativa QDs för användning i dessa applikationer.
"Vi kallar det här systemet Nanokristall (NC) Factory, och den bygger på NanoRobo-mikrofluidplattformen som vi presenterade 2017, säger Milad Abolhasani, en biträdande professor i kemisk och biomolekylär teknik vid NC State och motsvarande författare till en artikel om arbetet.
"Vi kan inte bara skapa QDs i vilken färg som helst med hjälp av en kontinuerlig tillverkningsmetod, men NC Factory-systemet är mycket modulärt, " Abolhasani säger. "Detta betyder att, i kombination med kontinuerlig processövervakning, systemet tillåter modifieringar att göras efter behov för att eliminera batch-till-batch-variationen som kan vara ett betydande problem för konventionella QD-tillverkningstekniker. Dessutom, kemin vi har utvecklat i detta arbete gör att perovskit QD-bearbetningen kan ske vid rumstemperatur."
Fluorescensfärgen hos QDs är ett resultat av den kemiska sammansättningen, storleken, och hur nanokristallerna bearbetas. Den ursprungliga QD-syntesstrategin som användes i NanoRobo-systemet möjliggjorde syntes i rumstemperatur av grön-emitterande perovskit QD, som tillverkas av cesiumblybromid. NC Factory börjar med cesium blybromid perovskit kvantprickar, men sedan introducerar olika halogenidsalter för att exakt ställa in deras fluorescensfärg över hela spektrumet av synligt ljus. Anjoner i dessa salter ersätter bromatomerna i de gröna emitterande prickarna med antingen jodatomer (för att röra sig mot den röda änden av spektrumet) eller kloratomer (för att röra sig mot blått).
"Eftersom NC Factory kan kontrollera både kemisk sammansättning och processparametrar exakt, den kan användas för att kontinuerligt tillverka perovskitkvantprickar i valfri färg med högsta kvalitet, " säger Abolhasani.
NC State forskare har utvecklat ett mikrofluidiskt system för att syntetisera perovskitkvantprickar över hela spektrumet av synligt ljus. Kvantprickar används i applikationer från biologisk avkänning och bildbehandling till LED-skärmar och solenergiskörd. Det nya systemet kan användas för att kontinuerligt tillverka kvantprickar av hög kvalitet för användning i dessa applikationer. Kredit:Milad Abolhasani, NC stat
NC Factory-systemet består av tre "plug and play"-moduler. Forskarna utvecklade en förblandningsmodul för att påskynda blandningen av halogenidsalter och kvantprickar, för att förbättra produktkvaliteten. Systemet innehåller också en hastighetssensor som gör det möjligt för användare att övervaka reaktionstider exakt. De syntetiserade QD:erna övervakas sedan in situ med hjälp av NanoRobo-processövervakningsmodulen.
"Från en vetenskaplig synvinkel, NC Factory-systemet gjorde det möjligt för oss att upptäcka att denna halogenidutbytesprocess sker i tre steg, " Abolhasani säger. "Det är mycket viktigt för att bättre förstå reaktionsmekanismen. Men systemet kan också påverka praktiska frågor relaterade till quantum dot-applikationer och tillverkning."
Till exempel, perovskite kvantprickar är attraktiva för solenergiindustrin för sin effektivitet, men de är fortfarande för dyra för att antas i stor skala. Och mer än 60 procent av den kostnaden hänförs till tillverkningsarbete.
"NC Factory-systemet skulle kräva mycket mindre arbetskraft för att fungera kontinuerligt, " Abolhasani säger. "Vi uppskattar att systemet skulle kunna minska de totala tillverkningskostnaderna med minst 50 procent. Det bör minska tillverkningskostnaderna för QDs för alla tillämpningar och bör åtminstone bevara - om inte förbättra - kvaliteten på kvantprickarna.
"Vi har lämnat in ett patent för systemet, och arbetar med industrisamarbetspartners för att kommersialisera tekniken, " säger Abolhasani.
Pappret, "Enkla rumstemperaturanjonbytesreaktioner av oorganiska perovskitkvantprickar aktiverade av en modulär mikrofluidisk plattform, " publiceras i tidskriften Avancerade funktionella material . Medförfattare är Kameel Abdel-Latif och Robert Epps, som är Ph.D. studenter i kemi- och biomolekylär teknik vid NC State. Tidningen var medförfattare av Corwin Kerr, en student vid NC State; Christopher pappa, en Ph.D. student i kemi vid NC State; och Felix Castellano, Goodnight Innovation Distinguished Chair of Chemistry vid NC State.
