Синтез на перовскит чрез ултразвукова обработка

Ултразвуково индуцираните и интензифицирани реакции предлагат лесен, прецизно контролируем и универсален метод за синтез за производството на светлинно активирани материали, които често не могат да бъдат получени чрез конвенционални техники.
Ултразвуковата кристализация и утаяването на перовскитни кристали са високоефективна и икономична техника, която позволява получаването на перовскитни нанокристали в промишлен мащаб за масово производство.

Ултразвуков синтез на перовскитни нанокристали

Органично–неорганичните оловно-халогенидни перовскити проявяват изключителни оптоелектронни свойства като висока светлинна абсорбция, много дълго време на живот на носителите на заряд, дифузионна дължина на носителите и висока подвижност на носителите, което прави перовскитните съединения превъзходен функционален материал за високоефективни приложения в слънчеви панели, светодиоди, фотодетектори, лазери и др.
Ултразвуковата обработка е един от физичните методи за ускоряване на различни органични реакции. Процесът на кристализация се повлиява и контролира чрез ултразвуковата обработка, което позволява контрол върху размерните характеристики на монокристалните перовскитни наночастици.

ТЕМ изображения на CH₃NH₃PbBr₃ квантови точки (QDs) (a) със и (b) без ултразвукова обработка.

Примери от изследвания на ултразвуковия синтез на перовскит

В изследвания са осъществени разнообразни видове растеж на перовскитни кристали с помощта на ултразвук. Обикновено перовскитните кристали се получават чрез метода на растеж в течна среда. За да се утаят перовскитните кристали, разтворимостта на целевите проби в разтвор на прекурсор се намалява бавно и контролирано. Ултразвуковото утаяване на перовскитни нанокристали се основава главно на рязко добавяне на антиразтворител.

Ултразвукова кристализация на перовскитни нанокристали

Jang et al. (2016) съобщават за успешен синтез на оловно-халогенидни перовскитни нанокристали с помощта на ултразвук. Чрез ултразвук са утаени перовскитни нанокристали APbX₃ с широк спектър от състави, при които A = CH₃NH₃, Cs или HN=CHNH₃ (формамидиний), а X = Cl, Br или I. Ултразвуковата обработка ускорява процеса на разтваряне на прекурсорите (AX и PbX₂) в толуен, а скоростта на разтваряне определя скоростта на растеж на нанокристалите. Впоследствие изследователският екип изработва високочувствителни фотодетектори чрез равномерно нанасяне с центрофугиране на нанокристалите с еднакъв размер върху подложки от силициев оксид с голяма площ.

Разпределения на размера на частиците CH3NH3PbBr3 (a) със и (b) без ултразвукова обработка.
Chen et al. 2017

Ултразвукова асиметрична кристализация на перовскит

Peng et al. (2016) разработват нов метод на растеж, основан на асиметрична кристализация, предизвикана от кавитация (CTAC), която насърчава хетерогенното зародишообразуване, като осигурява достатъчно енергия за преодоляване на бариерата за зародишообразуване. Накратко, те прилагат много кратки ултразвукови импулси (≈ 1sec) към разтвора, когато той достига ниско ниво на пресищане чрез дифузия на пари на антиразтворител. Ултразвуковият импулс се прилага при високи нива на пресищане, при които кавитацията предизвиква прекомерно зародишообразуване и съответно растеж на множество миниатюрни кристали. Обещаващ резултат е растежът на монокристални филми MAPbBr₃ върху повърхността на различни подложки в рамките на няколко часа циклична ултразвукова обработка.

Ултразвуков синтез на перовскитни квантови точки

Chen et al. (2017) представят в своята изследователска работа ефективен метод за получаване на перовскитни квантови точки (QDs) под въздействието на ултразвук. Ултразвуковата обработка се използва като механичен метод за ускоряване на утаяването на перовскитни квантови точки. Процесът на кристализация на перовскитните квантови точки се интензифицира и контролира чрез ултразвуковата обработка, което води до прецизно зададен размер на нанокристалите. Анализът на структурата, размера на частиците и морфологията на перовскитните квантови точки показва, че ултразвуковата кристализация осигурява по-малки размери на частиците и по-равномерно разпределение на размера им. Чрез ултразвуковия (= сонохимичен) синтез е възможно също да се получат перовскитни квантови точки с различни химични състави. Тези различни състави в перовскитните кристали позволяват „unable“ на емисионните пикове и адсорбционните ръбове на CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br и I), което води до изключително широка цветова гама.

Ултразвуково диспергиране

Ултразвуковата обработка на суспензии и мастила с наночастици е надеждна техника за хомогенното им диспергиране преди нанасяне на наносуспензията върху подложки като решетки или електроди. (вж. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ултразвуковото диспергиране лесно обработва високи концентрации на твърди вещества (напр. пасти) и разпределя наночастиците като отделни диспергирани частици, така че се получава равномерна суспензия. Това гарантира, че при последващото приложение, когато подложката се покрива, струпвания като агломерати не влошават експлоатационните характеристики на покритието.

Ултразвуковото диспергиране осигурява равномерни суспензии с частици с наноразмери: зелена крива – преди ултразвуковата обработка / червена крива след ултразвуковата обработка

Ултразвукови процесори за утаяване на перовскит

Hielscher Ultrasonics проектира и произвежда високопроизводителни ултразвукови системи за сонохимичен синтез на висококачествени перовскитни кристали. Като пазарен лидер с дългогодишен опит в ултразвуковата обработка Hielscher Ultrasonics подпомага клиентите си от първото изпитване за осъществимост през оптимизацията на процеса до окончателното инсталиране на промишлени ултразвукови процесори за производство в голям мащаб. Предлагайки пълната гама от лабораторни и настолни ултразвукови устройства до промишлени ултразвукови процесори, Hielscher може да ви препоръча идеалното устройство за вашия процес с нанокристали.
Всички ултразвукови устройства Hielscher могат да се управляват прецизно и да се настройват от много ниски до много високи амплитуди. Амплитудата е един от основните фактори, които влияят върху въздействието и разрушителния ефект на процесите на ултразвукова обработка. Ултразвуковите процесори на Hielscher Ultrasonics осигуряват много широк спектър от амплитуди, обхващащ диапазона от много щадящи и меки до много интензивни и разрушителни приложения. Изборът на правилната настройка на амплитудата, усилвател и сонотрод позволява да се зададе необходимото ултразвуково въздействие за вашия конкретен процес. Специалната вложка на Hielscher за реактор с проточна клетка MPC48 – MultiphaseCavitator (вж. изображението вляво) – позволява инжектирането на втората фаза през 48 канюли като „thin strain“ в кавитационната гореща точка, където високоефективни ултразвукови вълни диспергират двете фази в хомогенна смес. MultiphaseCavitator е идеален за създаване на точки на кристално зародишообразуване и за контролиране на реакцията на утаяване на перовскитни нанокристали.
Промишлените ултразвукови процесори Hielscher могат да осигурят изключително високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при тежко натоварване и във взискателни среди.
Нашите клиенти са доволни от изключителната здравина и надеждност на системите на Hielscher Ultrasonics. Инсталирането в области с тежко натоварване, взискателни среди и работа 24/7 осигурява ефективна и икономична обработка. Ултразвуковата интензификация на процесите намалява времето за обработка и постига по-добри резултати, т.е. по-високо качество, по-високи добиви, иновативни продукти.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства: