Det kan ta år av fokuserat laboratoriearbete för att fastställa hur man gör material av högsta kvalitet för användning i elektroniska och fotoniska enheter. Forskare har nu utvecklat ett autonomt system som kan identifiera hur man syntetiserar "klassens bästa" material för specifika tillämpningar på timmar eller dagar.
Det nya systemet, kallat SmartDope, utvecklades för att hantera en långvarig utmaning när det gäller att förbättra egenskaperna hos material som kallas perovskitkvantprickar via "dopning."
"Dessa dopade kvantprickar är halvledarnanokristaller som du har introducerat specifika föroreningar i på ett riktat sätt, vilket förändrar deras optiska och fysikalisk-kemiska egenskaper", förklarar Milad Abolhasani, docent i kemiteknik vid North Carolina State University och motsvarande författare till artikeln. "Smart Dope:A Self-Driving Fluidic Lab for Accelerated Development of Doped Perovskite Quantum Dots", publicerad öppen tillgång i tidskriften Advanced Energy Materials .
"Dessa speciella kvantprickar är av intresse eftersom de lovar nästa generations solcellsenheter och andra fotoniska och optoelektroniska enheter", säger Abolhasani. "De skulle till exempel kunna användas för att förbättra effektiviteten hos solceller, eftersom de kan absorbera våglängder av UV-ljus som solceller inte absorberar effektivt och omvandla dem till våglängder av ljus som solceller är mycket effektiva på att omvandla till elektricitet. "
Men även om dessa material är mycket lovande, har det funnits en utmaning att utveckla sätt att syntetisera kvantprickar av högsta möjliga kvalitet för att maximera deras effektivitet vid omvandling av UV-ljus till de önskade ljusvåglängderna.
"Vi hade en enkel fråga," säger Abolhasani. "Vilken är den bästa möjliga dopade kvantpricken för den här applikationen? Men att svara på den frågan med konventionella tekniker kan ta 10 år. Så vi utvecklade ett autonomt labb som låter oss svara på den frågan på timmar."
SmartDope-systemet är ett "självkörande" labb. Till att börja med berättar forskarna för SmartDope vilka prekursorkemikalier som ska arbeta med och ger det ett utsett mål. Målet i denna studie var att hitta den dopade perovskitkvantpunkten med det högsta "kvantutbytet" eller det högsta förhållandet av fotoner som kvantpricken sänder ut (som infraröda eller synliga våglängder av ljus) i förhållande till de fotoner som den absorberar (via UV-ljus). ).
När SmartDope har mottagit den första informationen börjar den köra experiment autonomt. Experimenten utförs i en kontinuerligt flödesreaktor som använder extremt små mängder kemikalier för att utföra kvantpricksyntesexperiment snabbt när prekursorerna strömmar genom systemet och reagerar med varandra.
För varje experiment manipulerar SmartDope en serie variabler, såsom:de relativa mängderna av varje prekursormaterial; temperaturen vid vilken den blandar dessa prekursorer; och mängden reaktionstid som ges närhelst nya prekursorer tillsätts. SmartDope karakteriserar också de optiska egenskaperna hos kvantprickarna som produceras av varje experiment automatiskt när de lämnar flödesreaktorn.
"När SmartDope samlar in data om vart och ett av sina experiment, använder den maskininlärning för att uppdatera sin förståelse av den dopade kvantpricksynteskemin och informera om vilket experiment som ska köras härnäst, med målet att göra den bästa möjliga kvantpricken", säger Abolhasani. "Processen med automatiserad kvantpunktssyntes i en flödesreaktor, karakterisering, uppdatering av maskininlärningsmodellen och val av nästa experiment kallas sluten slinga."
Så, hur bra fungerar SmartDope?
"Det tidigare rekordet för kvantutbyte i den här klassen av dopade kvantprickar var 130% - vilket betyder att kvantpunkten emitterade 1,3 fotoner för varje foton den absorberade", säger Abolhasani. "Inom en dag efter att ha kört SmartDope, identifierade vi en väg för att syntetisera dopade kvantprickar som gav ett kvantutbyte på 158%. Det är ett betydande framsteg som skulle ta år att hitta med traditionella experimentella tekniker. Vi hittade en bäst i klassen. lösning för detta material på en dag.
"Det här arbetet visar kraften i självkörande labb som använder flödesreaktorer för att snabbt hitta lösningar inom kemi- och materialvetenskap", säger Abolhasani. "Vi arbetar för närvarande på några spännande sätt att föra detta arbete framåt och är också öppna för att arbeta med branschpartners."
Mer information: Fazel Bateni et al, Smart Dope:A Self-Driving Fluidic Lab for Accelerated Development of Doped Perovskite Quantum Dots, Advanced Energy Materials (2023). DOI:10.1002/aenm.202302303
Journalinformation: Avancerade energimaterial
Tillhandahålls av North Carolina State University
