Պերովսկիտի սինթեզը ուլտրաձայնային մշակմամբ
Ուլտրաձայնով հարուցվող և ինտենսիվացվող ռեակցիաներն առաջարկում են պարզ, ճշգրիտ կառավարելի և բազմակողմանի սինթեզի մեթոդ՝ լույսով ակտիվացվող նյութերի արտադրության համար, որոնք հաճախ հնարավոր չէ ստանալ սովորական եղանակներով։
Պերովսկիտի բյուրեղների ուլտրաձայնային բյուրեղացումն ու նստեցումը բարձր արդյունավետությամբ և տնտեսապես շահավետ տեխնոլոգիա է, որը թույլ է տալիս արդյունաբերական մասշտաբով ստանալ պերովսկիտի նանաբյուրեղներ՝ զանգվածային արտադրության համար։
Պերովսկիտի նանաբյուրեղների ուլտրաձայնային սինթեզ
Օրգանական–անօրգանական կապարի հալոգենիդային պերովսկիտներն ունեն բացառիկ օպտոէլեկտրոնային հատկություններ, ինչպիսիք են լույսի բարձր կլանումը, լիցքակիրների շատ երկար կյանքի տևողությունը, լիցքակիրների դիֆուզիայի երկարությունը և լիցքակիրների բարձր շարժունակությունը, ինչի շնորհիվ պերովսկիտային միացությունները գերազանց ֆունկցիոնալ նյութ են արևային վահանակներում, լուսարձակող դիոդներում, ֆոտոդետեկտորներում, լազերներում և այլ սարքերում բարձր արդյունավետությամբ կիրառությունների համար։
Ուլտրաձայնային մշակումը տարբեր օրգանական ռեակցիաներն արագացնելու ֆիզիկական մեթոդներից մեկն է։ Ուլտրաձայնային մշակումն ազդում է բյուրեղացման գործընթացի վրա և կառավարում այն՝ հնարավորություն տալով կառավարել միաբյուրեղ պերովսկիտային նանոմասնիկների չափային բնութագրերը։
TEM պատկերներ CH3NH3PbBr3 քվանտային կետերի համար՝ (a) ուլտրաձայնային մշակմամբ և (b) առանց ուլտրաձայնային մշակման։
UIP2000hdT ճնշման տակ աշխատելու հնարավորություն ունեցող հոսքային բջջային ռեակտորով
Պերովսկիտի ուլտրաձայնային սինթեզի հետազոտական օրինակներ
Հետազոտություններում իրականացվել են ուլտրաձայնի օժանդակությամբ պերովսկիտի բյուրեղների աճեցման բազմազան տարբերակներ։ Ընդհանուր առմամբ, պերովսկիտի բյուրեղները ստանում են հեղուկ միջավայրում աճեցման մեթոդով։ Պերովսկիտի բյուրեղները նստեցնելու համար նախանյութի լուծույթում թիրախային նմուշների լուծելիությունը նվազեցվում է դանդաղ և վերահսկվող կերպով։ Պերովսկիտի նանաբյուրեղների ուլտրաձայնային նստեցումը հիմնականում հիմնված է հակալուծիչով կտրուկ նստեցման վրա։
Պերովսկիտի նանաբյուրեղների ուլտրաձայնային բյուրեղացում
Ջանգը և համահեղինակները (2016) հայտնում են ուլտրաձայնի օժանդակությամբ կապարի հալոգենիդային պերովսկիտի նանաբյուրեղների հաջող սինթեզի մասին։ Ուլտրաձայնի կիրառմամբ նստեցվել են APbX3 բանաձևով պերովսկիտի նանաբյուրեղներ՝ բաղադրությունների լայն բազմազանությամբ, որտեղ A = CH3NH3, Cs կամ HN=CHNH3 (ֆորմամիդինիում), իսկ X = Cl, Br կամ I։ Ուլտրաձայնային մշակումն արագացնում է նախանյութերի (AX և PbX2) լուծման գործընթացը տոլուոլում, իսկ լուծման արագությունը որոշում է նանաբյուրեղների աճի արագությունը։ Այնուհետև հետազոտական խումբը պատրաստել է բարձր զգայունությամբ ֆոտոդետեկտորներ՝ միատեսակ չափի նանաբյուրեղները պտտմամբ պատման եղանակով հավասարաչափ նստեցնելով մեծ մակերեսով սիլիցիումի օքսիդի տակդիրների վրա։
CH3NH3PbBr3 մասնիկների չափերի բաշխումները՝ (a) ուլտրաձայնային մշակմամբ և (b) առանց ուլտրաձայնային մշակման։
Չեն և համահեղինակներ, 2017
Պերովսկիտի ուլտրաձայնային անհամաչափ բյուրեղացում
Պենգը և համահեղինակները (2016) մշակել են աճեցման նոր մեթոդ՝ հիմնված կավիտացիայով հարուցվող անհամաչափ բյուրեղացման (CTAC) վրա, որը խթանում է տարասեռ սաղմնառաջացումը՝ տրամադրելով սաղմնառաջացման էներգետիկ արգելքը հաղթահարելու համար բավարար էներգիա։ Հակիրճ՝ նրանք լուծույթի վրա կիրառել են շատ կարճ ուլտրաձայնային իմպուլսներ (≈ 1sec), երբ այն հակալուծիչի գոլորշու դիֆուզիայի միջոցով հասել է գերհագեցման ցածր մակարդակի։ Ուլտրաձայնային իմպուլսը կիրառվում է գերհագեցման բարձր մակարդակներում, որտեղ կավիտացիան հարուցում է չափազանց մեծ թվով սաղմնառաջացման իրադարձություններ և, հետևաբար, բազմաթիվ մանր բյուրեղների աճ։ Խոստումնալից արդյունք է այն, որ MAPbBr3 բանաձևով միաբյուրեղ թաղանթներն աճել են տարբեր տակդիրների մակերևույթին՝ ցիկլային ուլտրաձայնային մշակման մի քանի ժամվա ընթացքում։
Պերովսկիտի քվանտային կետերի ուլտրաձայնային սինթեզ
Chen և համահեղինակները (2017) իրենց հետազոտական աշխատանքում ներկայացնում են ուլտրաձայնային ճառագայթման պայմաններում պերովսկիտի քվանտային կետերի (QDs) ստացման արդյունավետ մեթոդ։ Ուլտրաձայնային մշակումը կիրառվում է որպես մեխանիկական մեթոդ՝ պերովսկիտի քվանտային կետերի նստեցումն արագացնելու նպատակով։ Ուլտրաձայնային մշակումն ինտենսիվացնում և վերահսկում է պերովսկիտի քվանտային կետերի բյուրեղացման գործընթացը՝ ապահովելով նանոբյուրեղների ճշգրիտ կարգավորված չափերը։ Պերովսկիտի քվանտային կետերի կառուցվածքի, մասնիկների չափերի և ձևաբանության վերլուծությունը ցույց է տվել, որ ուլտրաձայնային բյուրեղացման արդյունքում ստացվում են ավելի փոքր մասնիկներ և մասնիկների չափերի ավելի համաչափ բաշխում։ Ուլտրաձայնային (= սոնոքիմիական) սինթեզի կիրառմամբ հնարավոր է եղել նաև ստանալ տարբեր քիմիական բաղադրություններով պերովսկիտի քվանտային կետեր։ Պերովսկիտի բյուրեղների այդ տարբեր բաղադրությունները թույլ տվեցին «unable» անել հետևյալ միացության ճառագայթման պիկերը և ադսորբցիայի եզրերը՝ CH3NH3PbX3 (X = Cl, Br և I), ինչը հանգեցրեց չափազանց լայն գունային ընդգրկույթի։
Ուլտրաձայնային դիսպերսում
Նանոմասնիկների սուսպենզիաների և թանաքների ուլտրաձայնային մշակումը հուսալի եղանակ է՝ դրանք համասեռ դիսպերսելու համար՝ նախքան նանոսուսպենզիան ցանցերի կամ էլեկտրոդների նման տակդիրների վրա քսելը։ (տե՛ս Belchi և համահեղինակներ, 2019; Pichler և համահեղինակներ, 2018)
Ուլտրաձայնային դիսպերսումը հեշտությամբ մշակում է պինդ նյութի բարձր կոնցենտրացիայով համակարգեր (օրինակ՝ մածուկներ) և նանոմասնիկները բաշխում է առանձին դիսպերսված մասնիկների տեսքով՝ ստանալով համասեռ սուսպենզիա։ Սա ապահովում է, որ հետագա կիրառման ժամանակ, երբ տակդիրը պատվում է, ագլոմերատների նման կուտակումները չվատթարացնեն ծածկույթի արդյունավետությունը։
Ուլտրաձայնային դիսպերսմամբ ստացվում են համասեռ նանոչափային սուսպենզիաներ. կանաչ կորը՝ ուլտրաձայնային մշակումից առաջ / կարմիր կորը՝ ուլտրաձայնային մշակումից հետո
Ուլտրաձայնային պրոցեսորներ՝ պերովսկիտի նստեցման համար
Hielscher Ultrasonics ընկերությունը նախագծում և արտադրում է բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային համակարգեր՝ բարձրորակ պերովսկիտի բյուրեղների սոնոքիմիական սինթեզի համար։ Որպես շուկայի առաջատար և ուլտրաձայնային մշակման ոլորտում երկարամյա փորձ ունեցող ընկերություն՝ Hielscher Ultrasonics ընկերությունն աջակցում է իր հաճախորդներին՝ իրագործելիության առաջին փորձարկումից մինչև գործընթացի օպտիմալացում և լայնածավալ արտադրության համար արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորների վերջնական տեղադրում։ Առաջարկելով ամբողջ տեսականին՝ լաբորատոր և սեղանի ուլտրաձայնային սարքերից մինչև արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորներ՝ Hielscher ընկերությունը կարող է ձեզ առաջարկել իդեալական սարք՝ նանոբյուրեղների ստացման ձեր գործընթացի համար։
Hielscher ընկերության բոլոր ուլտրաձայնային սարքերը ճշգրիտ կառավարելի են և կարող են կարգավորվել շատ ցածրից մինչև շատ բարձր ամպլիտուդների տիրույթում։ Ամպլիտուդն այն հիմնական գործոններից է, որոնք ազդում են ուլտրաձայնային մշակման գործընթացների ներգործության և քայքայիչ ազդեցության վրա։ Hielscher Ultrasonics ընկերության ուլտրաձայնային պրոցեսորներն ապահովում են ամպլիտուդների շատ լայն սպեկտր՝ ընդգրկելով շատ մեղմ և նուրբից մինչև շատ ինտենսիվ և քայքայիչ կիրառությունների տիրույթը։ Ամպլիտուդի ճիշտ կարգավորման, բուստերի և սոնոտրոդի ընտրությունը թույլ է տալիս սահմանել ձեր կոնկրետ գործընթացի համար անհրաժեշտ ուլտրաձայնային ներգործությունը։ Hielscher ընկերության հոսքային բջջային ռեակտորի հատուկ ներդիրը՝ MPC48 – MultiPhaseCavitator (տե՛ս ձախ կողմի նկարը), թույլ է տալիս երկրորդ փուլը 48 կանյուլաների միջոցով ներարկել որպես «thin strain» կավիտացիոն թեժ գոտի, որտեղ բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային ալիքները երկու փուլերը դիսպերսում են՝ ստանալով համասեռ խառնուրդ։ MultiPhaseCavitator սարքն իդեալական է բյուրեղացման սաղմնավորման կետեր առաջացնելու և պերովսկիտի նանաբյուրեղների նստեցման ռեակցիան կառավարելու համար։
Hielscher ընկերության արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորները կարող են ապահովել արտակարգ բարձր ամպլիտուդներ։ Մինչև 200µm ամպլիտուդները կարելի է հեշտությամբ շարունակաբար պահպանել 24/7 աշխատանքային ռեժիմում։ Էլ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար հասանելի են անհատական պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ։ Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային սարքավորումների ամրությունը թույլ է տալիս աշխատել 24/7 ռեժիմով՝ ծանր բեռնվածության և խստապահանջ միջավայրերի պայմաններում։
Մեր հաճախորդները գոհ են Hielscher Ultrasonic ընկերության համակարգերի բացառիկ ամրությունից և հուսալիությունից։ Ծանր բեռնվածությամբ կիրառությունների ոլորտներում, խստապահանջ միջավայրերում և 24/7 աշխատանքային պայմաններում տեղադրումն ապահովում է արդյունավետ և տնտեսող մշակում։ Ուլտրաձայնի միջոցով գործընթացի ինտենսիվացումը կրճատում է մշակման ժամանակը և ապահովում ավելի լավ արդյունքներ, այսինքն՝ ավելի բարձր որակ, ավելի բարձր ելքեր և նորարարական արտադրանք։
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորության մասին․
| Մշակվող խմբաքանակի ծավալը | Հոսքի ծավալային արագությունը | Առաջարկվող սարքերը |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | ավելի մեծ | սարքերի խումբ՝ UIP16000 |
Կապվե՛ք մեզ հետ։ / Հարցրե՛ք մեզ։
Բարձր հզորության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր մասշտաբից մինչև փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբ.
Գրականություն/հղումներ
- Raphaëlle Belchi; Aurélie Habert; Eddy Foy; Alexandre Gheno; Sylvain Vedraine; Rémi Antony; Bernard Ratier; Johann Bouclé; Nathalie Herlin-Boimecor (2019): One-Step Synthesis of TiO2/Graphene Nanocomposites by Laser Pyrolysis with Well-Controlled Properties and Application in Perovskite Solar Cells. ACS Omega. 2019 Jul 31; 4(7): 11906–11913.
- Dong Myung Jang, Duk Hwan Kim, Kidong Park, Jeunghee Park, Jong Woon Lee, Jae Kyu Song (2016): Ultrasound synthesis of lead halide perovskite nanocrystals. Journal of Materials Chemistry C. Issue 45, 2016.
- Lung-Chien Chen, Zong-Liang Tseng, Shih-You Chen, Shengyi Yang (2017): An ultrasonic synthesis method for high-luminance perovskite quantum dots. Cermaics international 43, 2017. 16032-16035.
- Birgit Pichler; Kurt Mayer; Prof. Viktor Hacker (2018): Long‐Term Operation of Perovskite‐Catalyzed Bifunctional Air Electrodes in Rechargeable Zinc‐Air Flow Batteries. Batteries & Supercaps Vol. 2, Issue 4, April 2019. 387-395.
- Wei Peng, Lingfei Wang, Banavoth Murali, Kang-Ting Ho, Ashok Bera, Namchul Cho, Chen-Fang Kang, Victor M. Burlakov, Jun Pan, Lutfan Sinatra, Chun Ma, Wei Xu, Dong Shi, Erkki Alarousu, Alain Goriely, Jr-Hau He, Omar F. Mohammed, Tom Wu, Osman M. Bakr (2016): Solution-Grown Monocrystalline Hybrid Perovskite Films for Hole-Transporter-Free Solar Cells. Advanced Materials 2016.
Փաստեր, որոնք արժե իմանալ
Պերովսկիտ
Պերովսկիտը եզրույթ է, որը նկարագրում է ինչպես պերովսկիտ հանքանյութը (հայտնի է նաև որպես կալցիումի տիտանի օքսիդ կամ կալցիումի տիտանատ, քիմիական բանաձևը՝ CaTiO3), այնպես էլ նյութի որոշակի կառուցվածք։ Իր նույնանուն անվանմանը համապատասխան՝ պերովսկիտ հանքանյութն ունի պերովսկիտային կառուցվածք։
Պերովսկիտային միացությունները կարող են ունենալ խորանարդային, տետրագոնային կամ օրթոռոմբային կառուցվածք և ունեն հետևյալ քիմիական բանաձևը՝ ABX3։ A և B կատիոններ են, մինչդեռ X նշանակում է անիոն, որը կապվում է երկուսի հետ էլ։ Պերովսկիտային միացություններում A կատիոնը զգալիորեն ավելի մեծ է, քան B կատիոնը։ Պերովսկիտային կառուցվածք ունեցող այլ հանքանյութեր են լոպարիտը և բրիջմանիտը։
Պերովսկիտներն ունեն եզակի բյուրեղային կառուցվածք, և այս կառուցվածքում կարող են համակցվել տարբեր քիմիական տարրեր։ Հատուկ բյուրեղային կառուցվածքի շնորհիվ պերովսկիտի մոլեկուլները կարող են դրսևորել տարբեր արժեքավոր հատկություններ, ինչպիսիք են գերհաղորդականությունը, շատ բարձր մագնիսադիմադրությունը և/կամ սեգնետաէլեկտրականությունը, որոնք այդ միացությունները դարձնում են խիստ հետաքրքիր արդյունաբերական կիրառությունների համար։ Բացի այդ, մեծ թվով տարբեր տարրեր կարող են համակցվել՝ ձևավորելով պերովսկիտային կառուցվածքներ, ինչը հնարավորություն է տալիս համակցել, փոփոխել և ուժեղացնել նյութի որոշակի բնութագրեր։ Հետազոտողները, գիտնականները և գործընթացներ մշակողները կիրառում են այդ հնարավորությունները՝ պերովսկիտի ֆիզիկական, օպտիկական և էլեկտրական բնութագրերն ընտրողաբար նախագծելու և օպտիմալացնելու համար։
Իրենց օպտոէլեկտրոնային հատկությունների շնորհիվ հիբրիդային պերովսկիտներն իդեալական թեկնածուներ են արևային տարրերում կիրառվելու համար, իսկ պերովսկիտային արևային տարրերը խոստումնալից տեխնոլոգիա են, որը կարող է օգնել մեծ քանակությամբ մաքուր, շրջակա միջավայրի համար բարենպաստ էներգիա արտադրել։
Գրականության մեջ ներկայացված միաբյուրեղ պերովսկիտի կարևորագույն օպտոէլեկտրոնային պարամետրերը․
τs = 28 ns τb = 300 ns PL
1,3–4,3 µm3 × 1010MAPbI31,51 eV 820 nm67.2 (SCLC)
τs = 18 ns τb = 570 ns PL
1,8–10,0 µm1.4 × 1010MAPbI3850 nm164 ± 25 Խոռոչների շարժունակություն (SCLC) 105 Խոռոչների շարժունակություն (Hall) 24 ± 6,8 էլեկտրոն SCLC
82 ± 5 µs TPV 95 ± 8 µs իմպեդանսային սպեկտրոսկոպիա (IS)9 × 109 p175 ± 25 µm3.6 × 1010 խոռոչների համար 34,5 × 1010 էլեկտրոնների համար MAPbI31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 խոռոչների համար 4,8 × 1010 էլեկտրոնների համար MAPbBr31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 խոռոչների համար 4,8 × 1010 էլեկտրոնների համար MAPbBr32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 խոռոչների համար 1,1 × 1011 էլեկտրոնների համար MAPbCl32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 խոռոչների համար 1,1 × 1011 էլեկտրոնների համար MAPbCl32,97 eV 402 nm179 Hall
5,1 × 109 n
MAPbCl32,88 eV 440 nm42 ± 9 (SCLC)2,7 × 10-8τs = 83 ns τb = 662 ns PL4.0 × 109 p3.0–8,5 µm3.1 × 1010FAPbI31,49 eV 870 nm40 ± 5 Խոռոչների շարժունակություն SCLC1.8 × 10-8
2,8 × 109
1,34 × 1010
| Նյութեր | Արգելված գոտու լայնություն կամ կլանման սկիզբ | Շարժունակություն [cm2 V-1 s-1] | Էլեկտրական հաղորդականություն [Ω-1 cm-1] | Լիցքակիրների կյանքի տևողություն և մեթոդ | Լիցքակիրների կոնցենտրացիա և տեսակ [cm-3] (n կամ p) | Դիֆուզիայի երկարություն | Թակարդների խտություն [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (Hall) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 մինչև 5 × 1010 p | 3–17 µm | 5,8 × 109 |