Syntese af perovskit ved ultralydsbehandling

Ultralydsinducerede og -intensiverede reaktioner tilbyder en enkel, præcist kontrollerbar og alsidig syntesemetode til fremstilling af lysaktiverede materialer, som ofte ikke kan fremstilles med konventionelle teknikker.
Ultralydskrystallisation og -udfældning af perovskitkrystaller er en yderst effektiv og økonomisk teknik, som muliggør fremstilling af perovskitnanokrystaller i industriel skala til masseproduktion.

Ultralydssyntese af perovskitnanokrystaller

Organisk–uorganiske blyhalogenidperovskitter udviser enestående optoelektroniske egenskaber såsom høj lysabsorption, meget lang ladningsbærerlevetid, ladningsbærerdiffusionslængde og høj ladningsbærermobilitet, hvilket gør perovskitforbindelserne til et overlegent funktionelt materiale til højtydende anvendelser i solpaneler, LED’er, fotodetektorer, lasere osv.
Ultralydsbehandling er en af de fysiske metoder til at accelerere forskellige organiske reaktioner. Krystallisationsprocessen påvirkes og styres af ultralydsbehandling, hvilket resulterer i kontrollerbare størrelsesegenskaber for de enkeltkrystallinske perovskitnanopartikler.

TEM-billeder af kvanteprikker af CH₃NH₃PbBr₃ (a) med og (b) uden ultralydsbehandling.

Casestudier af ultralydssyntese af perovskit

Forskningen har undersøgt mange forskellige former for ultralydsassisteret vækst af perovskitkrystaller. Generelt fremstilles perovskitkrystaller ved vækst i væske. For at udfælde perovskitkrystaller reduceres målprøvernes opløselighed langsomt og kontrolleret i en prækursoropløsning. Ultralydsudfældning af perovskitnanokrystaller er hovedsageligt baseret på brat udfældning med et antiopløsningsmiddel.

Ultralydskrystallisation af perovskitnanokrystaller

Jang et al. (2016) rapporterer om vellykket ultralydsassisteret syntese af blyhalogenidperovskitnanokrystaller. Ved hjælp af ultralyd blev der udfældet perovskitnanokrystaller af APbX₃ med en bred vifte af sammensætninger, hvor A = CH₃NH₃, Cs eller HN=CHNH₃ (formamidinium), og X = Cl, Br eller I. Ultralydsbehandling accelererer opløsningen af prækursorerne (AX og PbX₂) i toluen, og opløsningshastigheden bestemmer nanokrystallernes væksthastighed. Efterfølgende fremstillede forskergruppen fotodetektorer med høj følsomhed ved ensartet spincoating af nanokrystaller med ensartet størrelse på siliciumoxidsubstrater med stort areal.

Partikelstørrelsesfordelinger for CH3NH3PbBr3 (a) med og (b) uden ultralydsbehandlingen.
Chen et al. 2017

Asymmetrisk krystallisation af perovskit ved hjælp af ultralyd

Peng et al. (2016) udviklede en ny vækstmetode baseret på kavitationsudløst asymmetrisk krystallisation (CTAC), som fremmer heterogen kernedannelse ved at tilføre tilstrækkelig energi til at overvinde kernedannelsesbarrieren. Kort fortalt tilførte de opløsningen meget korte ultralydspulser (≈ 1sek), når den nåede et lavt overmætningsniveau ved diffusion af antiopløsningsmiddeldamp. Ultralydspulsen tilføres ved høje overmætningsniveauer, hvor kavitation udløser et overdrevent antal kernedannelseshændelser og dermed vækst af et væld af bittesmå krystaller. Som et lovende resultat voksede enkeltkrystallinske film af MAPbBr₃ på overfladen af forskellige substrater inden for flere timers cyklisk ultralydsbehandling.

Ultralydssyntese af perovskitkvanteprikker

Chen et al. (2017) præsenterer i deres forskningsarbejde en effektiv metode til fremstilling af perovskitkvanteprikker (QD’er) under ultralydsbestråling. Ultralydsbehandling anvendes som en mekanisk metode til at accelerere udfældningen af perovskitkvanteprikker. Krystallisationsprocessen for perovskitkvanteprikkerne intensiveres og styres af ultralydsbehandlingen, hvilket resulterer i en præcist tilpasset størrelse af nanokrystallerne. Analysen af perovskitkvanteprikkernes struktur, partikelstørrelse og morfologi viste, at ultralydskrystallisation giver mindre partikelstørrelser og en mere ensartet partikelstørrelsesfordeling. Ved hjælp af ultralydssyntesen (= sonokemisk syntese) var det også muligt at fremstille perovskitkvanteprikker med forskellige kemiske sammensætninger. Disse forskellige sammensætninger i perovskitkrystallerne gjorde det muligt at »unable« emissionstoppe og adsorptionskanter for CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br og I), hvilket førte til et ekstremt bredt farveområde.

Ultralydsdispergering

Ultralydsbehandling af nanopartikelsuspensioner og blæk er en pålidelig teknik til at dispergere dem homogent, inden nanosuspensionen påføres substrater såsom gitre eller elektroder. (jf. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ultralydsdispergering håndterer nemt høje faststofkoncentrationer (f.eks. pastaer) og fordeler nanopartiklerne som enkeltvis dispergerede partikler, så der dannes en ensartet suspension. Dette sikrer, at sammenklumpninger såsom agglomerater ikke forringer belægningens ydeevne ved den efterfølgende anvendelse, når substratet belægges.

Ultralydsdispergering fremstiller ensartede suspensioner med partikler i nanostørrelse: grøn kurve – før sonikering / rød kurve efter sonikering

Ultralydsprocessorer til udfældning af perovskit

Hielscher Ultrasonics designer og fremstiller højtydende ultralydssystemer til sonokemisk syntese af perovskitkrystaller af høj kvalitet. Som markedsleder og med mange års erfaring inden for ultralydsbehandling hjælper Hielscher Ultrasonics sine kunder fra den første gennemførlighedstest over procesoptimering til den endelige installation af industrielle ultralydsprocessorer til produktion i stor skala. Med det komplette sortiment fra laboratorie- og bordmodeller af ultralydsapparater til industrielle ultralydsprocessorer kan Hielscher anbefale dig det ideelle apparat til din nanokrystalproces.
Alle ultralydsapparater fra Hielscher kan styres præcist og indstilles fra meget lave til meget høje amplituder. Amplituden er en af de vigtigste faktorer, der påvirker sonikeringsprocessernes virkning og destruktivitet. Ultralydsprocessorerne fra Hielscher Ultrasonics leverer et meget bredt spektrum af amplituder, som dækker området fra meget milde og skånsomme til meget intense og destruktive anvendelser. Valg af den rette amplitudeindstilling, booster og sonotrode gør det muligt at indstille den nødvendige ultralydsvirkning til din specifikke proces. Den særlige indsats fra Hielscher til gennemstrømningscellereaktorer, MPC48 – MultiPhaseCavitator (se billedet til venstre) – gør det muligt at injicere den anden fase gennem 48 kanyler som en »thin strain« i kavitationens hotspot, hvor højtydende ultralydsbølger dispergerer de to faser til en homogen blanding. MultiPhaseCavitator er ideel til at initiere krystalkimdannelsespunkter og styre udfældningsreaktionen for perovskitnanokrystaller.
De industrielle ultralydsprocessorer fra Hielscher kan levere ekstraordinært høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder. Robustheden af ultralydsudstyret fra Hielscher muliggør 24/7-drift ved høj belastning og i krævende miljøer.
Vores kunder er tilfredse med den fremragende robusthed og pålidelighed af Hielscher Ultrasonic’s systemer. Installation til anvendelser med høj belastning, i krævende miljøer og til 24/7-drift sikrer effektiv og økonomisk behandling. Procesintensivering med ultralyd reducerer behandlingstiden og giver bedre resultater, dvs. højere kvalitet, højere udbytter og innovative produkter.
Tabellen nedenfor giver dig et indtryk af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: