סינתזה של פרובסקיט באמצעות אולטרסאונד

תגובות המושרות ומוגברות באמצעות אולטרסאונד מציעות שיטת סינתזה פשוטה ורב־תכליתית, הניתנת לבקרה מדויקת, לייצור חומרים המופעלים באור, שלעיתים קרובות אי אפשר להכינם בשיטות קונבנציונליות.
גיבוש ושיקוע אולטרסוניים של גבישי פרובסקיט הם טכניקה יעילה וחסכונית ביותר, המאפשרת לייצר ננו־גבישי פרובסקיט בקנה מידה תעשייתי לייצור המוני.

סינתזה אולטרסונית של ננו־גבישי פרובסקיט

פרובסקיטים אורגניים–אי־אורגניים של הלידי עופרת מפגינים תכונות אופטואלקטרוניות יוצאות דופן, כגון בליעת אור גבוהה, זמן חיים ארוך מאוד של נושאי מטען, אורך דיפוזיה של נושאי מטען וניידות גבוהה של נושאי מטען, ההופכות את תרכובות הפרובסקיט לחומר פונקציונלי מעולה ליישומים בעלי ביצועים גבוהים בפאנלים סולאריים, בנוריות LED, בגלאי אור, בלייזרים וכו׳.
טיפול באולטרסאונד הוא אחת השיטות הפיזיקליות להאצת תגובות אורגניות שונות. טיפול אולטרסוני משפיע על תהליך הגיבוש ומבקר אותו, וכך מאפשר לשלוט במאפייני הגודל של ננו־חלקיקי הפרובסקיט החד־גבישיים.

תמונות TEM של נקודות קוונטיות מסוג CH₃NH₃PbBr₃ (QDs),‏ (a) עם טיפול אולטרסוני ו־(b) בלעדיו.

מקרי בוחן של סינתזה אולטרסונית של פרובסקיט

במחקרים בוצעו סוגים רבים של גידול גבישי פרובסקיט בסיוע אולטרסאונד. באופן כללי, גבישי פרובסקיט מוכנים בשיטת גידול בתווך נוזלי. כדי לשקע גבישי פרובסקיט, מפחיתים באיטיות ובאופן מבוקר את מסיסות דגימות המטרה בתמיסת חומר מוצא. שיקוע אולטרסוני של ננו־גבישי פרובסקיט מבוסס בעיקר על כיבוי באמצעות אנטי־ממס.

גיבוש אולטרסוני של ננו־גבישי פרובסקיט

Jang ועמיתיו (2016) מדווחים על סינתזה מוצלחת בסיוע אולטרסאונד של ננו־גבישי פרובסקיט של הלידי עופרת. באמצעות אולטרסאונד שוקעו ננו־גבישי פרובסקיט מסוג APbX₃ במגוון רחב של הרכבים, שבהם A = CH₃NH₃, Cs או HN=CHNH₃ (פורמאמידיניום), ו־X = Cl, Br או I. הטיפול באולטרסאונד מאיץ את תהליך ההמסה של חומרי המוצא (AX ו־PbX₂) בטולואן, וקצב ההמסה קובע את קצב הגידול של הננו־גבישים. לאחר מכן, צוות המחקר ייצר גלאי אור בעלי רגישות גבוהה באמצעות ציפוי אחיד בסחרור של ננו־גבישים בעלי גודל אחיד על מצעי תחמוצת סיליקון בעלי שטח גדול.

התפלגויות גודל החלקיקים של CH3NH3PbBr3‏ (a) עם הטיפול האולטרסוני ו־(b) בלעדיו.
Chen ועמיתיו 2017

גיבוש אולטרסוני אסימטרי של פרובסקיט

Peng ועמיתיו (2016) פיתחו שיטת גידול חדשה המבוססת על גיבוש אסימטרי המופעל על ידי קוויטציה (CTAC), המקדם התגרענות הטרוגנית באמצעות אספקת אנרגיה מספקת להתגברות על מחסום ההתגרענות. בקצרה, הם הפעילו על התמיסה פולסים אולטרסוניים קצרים מאוד (≈ 1sec) כאשר הגיעה לרמה נמוכה של רוויית־יתר באמצעות דיפוזיה של אדי אנטי־ממס. הפולס האולטרסוני מופעל ברמות גבוהות של רוויית־יתר, שבהן קוויטציה מעוררת אירועי התגרענות עודפים, ולכן גידול של שפע גבישים זעירים. באופן מבטיח, סרטים חד־גבישיים של MAPbBr₃ צמחו על פני השטח של מצעים שונים בתוך כמה שעות של טיפול אולטרסוני מחזורי.

סינתזה אולטרסונית של נקודות קוונטיות של פרובסקיט

Chen ועמיתיו (2017) מציגים בעבודת המחקר שלהם שיטה יעילה להכנת נקודות קוונטיות של פרובסקיט (QDs) תחת הקרנה אולטרסונית. סוניקציה משמשת כשיטה מכנית להאצת השיקוע של נקודות קוונטיות של פרובסקיט. הטיפול האולטרסוני מגביר את תהליך ההתגבשות של הנקודות הקוונטיות של פרובסקיט ומאפשר לשלוט בו, וכך מתקבלים ננו־גבישים שגודלם מותאם במדויק. ניתוח המבנה, גודל החלקיקים והמורפולוגיה של הנקודות הקוונטיות של פרובסקיט הראה שהתגבשות אולטרסונית מניבה חלקיקים קטנים יותר והתפלגות אחידה יותר של גודל החלקיקים. באמצעות הסינתזה האולטרסונית (= סונוכימית) ניתן היה גם לייצר נקודות קוונטיות של פרובסקיט בעלות הרכבים כימיים שונים. הרכבים שונים אלה בגבישי הפרובסקיט אפשרו לבצע את הפעולה "unable" בשיאי הפליטה ובקצוות הספיחה של CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br ו-I), דבר שהוביל למכלול צבעים רחב ביותר.

פיזור אולטרסוני

סוניקציה של תרחיפי ננו־חלקיקים ושל דיו היא טכניקה אמינה לפיזורם באופן הומוגני לפני יישום תרחיף הננו־חלקיקים על מצעים כגון רשתות או אלקטרודות. (ראו Belchi ועמיתיו 2019; Pichler ועמיתיו 2018)
פיזור אולטרסוני מתמודד בקלות עם ריכוזי מוצקים גבוהים (למשל משחות) ומפזר ננו־חלקיקים לחלקיקים בודדים, כך שנוצר תרחיף אחיד. הדבר מבטיח שביישום הבא, בעת ציפוי המצע, הצטברויות כגון אגלומרטים לא יפגעו בביצועי הציפוי.

פיזור אולטרסוני מאפשר הכנת תרחיפים אחידים של חלקיקים בגודל ננומטרי: עקומה ירוקה – לפני סוניקציה / עקומה אדומה לאחר סוניקציה

מעבדים אולטרסוניים לשיקוע פרובסקיט

Hielscher Ultrasonics מתכננת ומייצרת מערכות אולטרסוניות בעלות ביצועים גבוהים לסינתזה סונוכימית של גבישי פרובסקיט באיכות גבוהה. כמובילת שוק ובעלת ניסיון רב־שנים בעיבוד אולטרסוני, Hielscher Ultrasonics מסייעת ללקוחותיה החל מבדיקת ההיתכנות הראשונה, דרך מיטוב התהליך ועד להתקנה הסופית של מעבדים אולטרסוניים תעשייתיים לייצור בקנה מידה גדול. בזכות היצע מלא, החל ממכשירים אולטרסוניים למעבדה ולשולחן העבודה ועד למעבדים אולטרסוניים תעשייתיים, Hielscher יכולה להמליץ לכם על המכשיר האידיאלי לתהליך הננו־גבישים שלכם.
כל המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ניתנים לשליטה מדויקת ולכוונון ממשרעות נמוכות מאוד ועד למשרעות גבוהות מאוד. המשרעת היא אחד הגורמים העיקריים המשפיעים על ההשפעה ועל מידת ההרס של תהליכי סוניקציה. המעבדים האולטרסוניים של Hielscher Ultrasonics מספקים טווח רחב מאוד של משרעות, המכסה יישומים החל מעדינים ורכים מאוד ועד לאינטנסיביים והרסניים מאוד. בחירת הגדרת המשרעת, מגבר המשרעת והסונוטרודה המתאימים מאפשרת לקבוע את ההשפעה האולטרסונית הנדרשת לתהליך הספציפי שלכם. התוסף המיוחד של Hielscher לריאקטור תא זרימה, MPC48 – MultiPhaseCavitator (ראו תמונה משמאל) – מאפשר להזריק את הפאזה השנייה דרך 48 קנולות בתור "thin strain" אל מוקד הקוויטציה, שבו גלים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים מפזרים את שתי הפאזות לתערובת הומוגנית. ה-MultiPhaseCavitator אידיאלי ליצירת אתרי זריעה לגבישים ולשליטה בתגובת השיקוע של ננו־גבישי פרובסקיט.
המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לספק משרעות גבוהות באופן יוצא דופן. ניתן להפעילם בקלות וברציפות במשרעות של עד 200µm במסגרת עבודה של 24/7. למשרעות גבוהות אף יותר זמינות סונוטרודות אולטרסוניות מותאמות אישית. העמידות של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת הפעלה של 24/7 בעומסי עבודה כבדים ובסביבות תובעניות.
לקוחותינו מרוצים מהעמידות ומהאמינות יוצאות הדופן של מערכות Hielscher Ultrasonic. התקנתן בתחומי יישום הכרוכים בעומסי עבודה כבדים, בסביבות תובעניות ובהפעלה של 24/7 מבטיחה עיבוד יעיל וחסכוני. הגברת תהליכים באמצעות אולטרסאונד מקצרת את זמן העיבוד ומשיגה תוצאות טובות יותר, כלומר איכות גבוהה יותר, תפוקות גבוהות יותר ומוצרים חדשניים.
הטבלה שלהלן מספקת אומדן לקיבולת העיבוד המשוערת של המכשירים האולטרסוניים שלנו: