Syntéza perovskitů pomocí ultrazvuku

Ultrazvukem indukované a intenzifikované reakce nabízejí snadnou, přesně řiditelnou a všestrannou metodu syntézy pro výrobu světlem aktivovaných materiálů, které často nelze připravit konvenčními technikami.
Ultrazvuková krystalizace a precipitace perovskitových krystalů je vysoce účinná a ekonomická technika, která umožňuje vyrábět perovskitové nanokrystaly v průmyslovém měřítku pro hromadnou výrobu.

Ultrazvuková syntéza perovskitových nanokrystalů

Organicko–anorganické halogenidové perovskity olova vykazují výjimečné optoelektronické vlastnosti, jako je vysoká absorpce světla, velmi dlouhá doba života nosičů náboje, difuzní délka nosičů náboje a vysoká pohyblivost nosičů náboje, díky čemuž jsou perovskitové sloučeniny vynikajícím funkčním materiálem pro vysoce výkonné aplikace v solárních panelech, LED diodách, fotodetektorech, laserech atd.
Sonikace je jednou z fyzikálních metod urychlování různých organických reakcí. Proces krystalizace je ultrazvukovým ošetřením ovlivňován a řízen, což vede k řiditelným velikostním vlastnostem monokrystalických perovskitových nanočástic.

TEM snímky CH₃NH₃PbBr₃ QDs (a) s ultrazvukovým ošetřením a (b) bez ultrazvukového ošetření.

Případové studie ultrazvukové syntézy perovskitů

Výzkum se zabýval rozmanitými typy ultrazvukem podporovaného růstu perovskitových krystalů. Obecně se perovskitové krystaly připravují metodou růstu z kapalné fáze. Za účelem vysrážení perovskitových krystalů se rozpustnost cílových vzorků v roztoku prekurzoru pomalu a řízeně snižuje. Ultrazvuková precipitace perovskitových nanokrystalů je založena především na zhášení pomocí antisolventu.

Ultrazvuková krystalizace perovskitových nanokrystalů

Jang et al. (2016) uvádějí úspěšnou ultrazvukem podporovanou syntézu nanokrystalů halogenidových perovskitů olova. Pomocí ultrazvuku byly vysráženy perovskitové nanokrystaly APbX₃ se širokou škálou složení, kde A = CH₃NH₃, Cs nebo HN=CHNH₃ (formamidinium) a X = Cl, Br nebo I. Sonikace urychluje proces rozpouštění prekurzorů (AX a PbX₂) v toluenu a rychlost rozpouštění určuje rychlost růstu nanokrystalů. Následně výzkumný tým vyrobil vysoce citlivé fotodetektory homogenním nanášením nanokrystalů jednotné velikosti metodou spin coating na velkoplošné substráty z oxidu křemíku.

Distribuce velikosti částic CH3NH3PbBr3 (a) s ultrazvukovým ošetřením a (b) bez ultrazvukového ošetření.
Chen et al. 2017

Ultrazvuková asymetrická krystalizace perovskitu

Peng et al. (2016) vyvinuli novou metodu růstu založenou na kavitací spouštěné asymetrické krystalizaci (CTAC), která podporuje heterogenní nukleaci tím, že dodává dostatek energie k překonání nukleační bariéry. Stručně řečeno, do roztoku zavedli velmi krátké ultrazvukové pulzy (≈ 1sec) ve chvíli, kdy roztok dosáhl nízké úrovně přesycení difuzí par antisolventu. Ultrazvukový pulz se zavádí při vysokých úrovních přesycení, kde kavitace spouští nadměrné nukleační události, a tedy růst velkého množství drobných krystalů. Slibné je, že monokrystalické filmy MAPbBr₃ narostly na povrchu různých substrátů během několika hodin cyklické ultrazvukové úpravy.

Ultrazvuková syntéza perovskitových kvantových teček

Chen et al. (2017) ve své výzkumné práci představují účinnou metodu přípravy perovskitových kvantových teček (QDs) pod ultrazvukovým ozařováním. Sonikace se používá jako mechanická metoda k urychlení precipitace perovskitových kvantových teček. Proces krystalizace perovskitových kvantových teček je ultrazvukovým ošetřením intenzifikován a řízen, což vede k přesně přizpůsobené velikosti nanokrystalů. Analýza struktury, velikosti částic a morfologie perovskitových kvantových teček ukázala, že ultrazvuková krystalizace poskytuje menší velikosti částic a rovnoměrnější distribuci velikosti částic. Pomocí ultrazvukové (= sonochemické) syntézy bylo rovněž možné vyrábět perovskitové kvantové tečky s různým chemickým složením. Tato různá složení v perovskitových krystalech umožnila „unable“ emisní píky a adsorpční hrany CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br a I), což vedlo k extrémně širokému barevnému gamutu.

Ultrazvuková disperze

Sonikace suspenzí nanočástic a inkoustů je spolehlivá technika k jejich homogennímu dispergování před nanesením nanosuspenze na substráty, jako jsou mřížky nebo elektrody. (srov. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ultrazvuková disperze snadno zvládá vysoké koncentrace pevných látek (např. pasty) a rozptyluje nanočástice na jednotlivě dispergované částice, takže vzniká jednotná suspenze. To zajišťuje, že při následné aplikaci, kdy je substrát potahován, nezhoršuje výkon povlaku žádné shlukování, jako jsou aglomeráty.

Ultrazvuková disperze připravuje jednotné suspenze nanočástic: zelená křivka – před sonikací / červená křivka po sonikaci

Ultrazvukové procesory pro precipitaci perovskitů

Hielscher Ultrasonics navrhuje a vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové systémy pro sonochemickou syntézu vysoce kvalitních perovskitových krystalů. Jako lídr na trhu a s dlouholetými zkušenostmi v ultrazvukovém zpracování pomáhá Hielscher Ultrasonics svým zákazníkům od prvního testu proveditelnosti přes optimalizaci procesu až po finální instalaci průmyslových ultrazvukových procesorů pro velkoobjemovou výrobu. Díky nabídce kompletního portfolia od laboratorních a stolních sonikátorů až po průmyslové ultrazvukové procesory vám Hielscher může doporučit ideální zařízení pro váš proces s nanokrystaly.
Všechny sonikátory Hielscher jsou přesně řiditelné a lze je nastavit od velmi nízkých po velmi vysoké amplitudy. Amplituda je jedním z hlavních faktorů, které ovlivňují účinek a destruktivnost sonikačních procesů. Ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics poskytují velmi široké spektrum amplitud pokrývající rozsah od velmi mírných a šetrných až po velmi intenzivní a destruktivní aplikace. Volba správného nastavení amplitudy, boosteru a sonotrody umožňuje nastavit požadovaný ultrazvukový účinek pro váš konkrétní proces. Speciální vložka reaktoru s průtokovou celou od společnosti Hielscher MPC48 – MultiPhaseCavitator (viz obr. vlevo) – umožňuje vstřikovat druhou fázi přes 48 kanyl jako „thin strain“ do kavitačního hot-spotu, kde vysoce výkonné ultrazvukové vlny dispergují obě fáze do homogenní směsi. MultiPhaseCavitator je ideální k iniciaci krystalizačních zárodečných bodů a k řízení precipitační reakce perovskitových nanokrystalů.
Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher dokážou dodávat mimořádně vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno provozovat kontinuálně v nepřetržitém provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích.
Naši zákazníci jsou spokojeni s vynikající robustností a spolehlivostí systémů Hielscher Ultrasonics. Instalace v oblastech aplikací s vysokým zatížením, v náročných prostředích a v provozu 24/7 zajišťuje efektivní a ekonomické zpracování. Ultrazvuková intenzifikace procesů zkracuje dobu zpracování a dosahuje lepších výsledků, tj. vyšší kvality, vyšších výtěžků, inovativních produktů.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů: