Sintesi della perovskite mediante ultrasuoni

Le reazioni indotte e intensificate dagli ultrasuoni offrono un metodo di sintesi semplice, precisamente controllabile e versatile per la produzione di materiali attivati dalla luce, che spesso non possono essere preparati con tecniche convenzionali.
La cristallizzazione e la precipitazione a ultrasuoni dei cristalli di perovskite costituiscono una tecnica altamente efficace ed economica, che consente di produrre nanocristalli di perovskite su scala industriale per la produzione di massa.

Sintesi a ultrasuoni di nanocristalli di perovskite

Le perovskiti organiche–inorganiche ad alogenuri di piombo presentano proprietà optoelettroniche eccezionali, quali un elevato assorbimento della luce, una durata di vita molto lunga dei portatori di carica, una lunghezza di diffusione dei portatori e un’elevata mobilità dei portatori, che rendono i composti di perovskite un materiale funzionale superiore per applicazioni ad alte prestazioni in pannelli solari, LED, fotorivelatori, laser, ecc.
Il trattamento a ultrasuoni è uno dei metodi fisici per accelerare varie reazioni organiche. Il processo di cristallizzazione viene influenzato e controllato dal trattamento a ultrasuoni, consentendo di controllare le caratteristiche dimensionali delle nanoparticelle monocristalline di perovskite.

Immagini TEM dei punti quantici di CH₃NH₃PbBr₃ (QD) (a) con e (b) senza trattamento a ultrasuoni.

Casi di studio sulla sintesi a ultrasuoni della perovskite

La ricerca ha studiato molteplici tipi di crescita dei cristalli di perovskite assistita da ultrasuoni. In generale, i cristalli di perovskite vengono preparati con il metodo di crescita in fase liquida. Per far precipitare i cristalli di perovskite, la solubilità dei campioni di interesse viene ridotta lentamente e in modo controllato in una soluzione di precursori. La precipitazione a ultrasuoni dei nanocristalli di perovskite si basa principalmente su un quenching con antisolvente.

Cristallizzazione a ultrasuoni di nanocristalli di perovskite

Jang et al. (2016) riportano la riuscita sintesi assistita da ultrasuoni di nanocristalli di perovskite ad alogenuri di piombo. Utilizzando gli ultrasuoni, sono stati fatti precipitare nanocristalli di perovskite APbX₃ con un’ampia gamma di composizioni, in cui A = CH₃NH₃, Cs o HN=CHNH₃ (formamidinio), e X = Cl, Br o I. Il trattamento a ultrasuoni accelera il processo di dissoluzione dei precursori (AX e PbX₂) in toluene, e la velocità di dissoluzione determina la velocità di crescita dei nanocristalli. Successivamente, il gruppo di ricerca ha fabbricato fotorivelatori ad alta sensibilità depositando uniformemente mediante spin coating i nanocristalli di dimensioni uniformi su substrati di ossido di silicio di grande superficie.

Distribuzioni delle dimensioni delle particelle di CH3NH3PbBr3 (a) con e (b) senza trattamento a ultrasuoni.
Chen et al. 2017

Cristallizzazione asimmetrica a ultrasuoni della perovskite

Peng et al. (2016) hanno sviluppato un nuovo metodo di crescita basato sulla cristallizzazione asimmetrica innescata dalla cavitazione (CTAC), che favorisce la nucleazione eterogenea fornendo energia sufficiente a superare la barriera di nucleazione. In breve, hanno applicato impulsi ultrasonici molto brevi (≈ 1sec) alla soluzione quando questa raggiungeva un basso livello di sovrasaturazione mediante diffusione del vapore di antisolvente. L’impulso ultrasonico viene applicato a livelli elevati di sovrasaturazione, ai quali la cavitazione innesca un numero eccessivo di eventi di nucleazione e quindi la crescita di una moltitudine di minuscoli cristalli. Un risultato promettente è stata la crescita di film monocristallini di MAPbBr₃ sulla superficie di vari substrati nell’arco di diverse ore di trattamento ciclico a ultrasuoni.

Sintesi a ultrasuoni di punti quantici di perovskite

Chen et al. (2017) presentano nel loro lavoro di ricerca un metodo efficiente per preparare punti quantici (QD) di perovskite mediante irradiazione ultrasonica. La sonicazione viene utilizzata come metodo meccanico per accelerare la precipitazione dei punti quantici di perovskite. Il processo di cristallizzazione dei punti quantici di perovskite viene intensificato e controllato dal trattamento a ultrasuoni, consentendo di ottenere nanocristalli di dimensioni precisamente definite. L’analisi della struttura, delle dimensioni delle particelle e della morfologia dei punti quantici di perovskite ha mostrato che la cristallizzazione a ultrasuoni produce particelle più piccole e una distribuzione delle dimensioni delle particelle più uniforme. Utilizzando la sintesi a ultrasuoni (= sonochimica), è stato inoltre possibile produrre punti quantici di perovskite con diverse composizioni chimiche. Queste diverse composizioni nei cristalli di perovskite hanno consentito di regolare i picchi di emissione e i bordi di adsorbimento di CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br e I), portando a una gamma cromatica estremamente ampia.

Dispersione a ultrasuoni

Il trattamento a ultrasuoni delle sospensioni e degli inchiostri di nanoparticelle è una tecnica affidabile per disperderli omogeneamente prima di applicare la nanosospensione su substrati quali griglie o elettrodi. (cfr. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
La dispersione a ultrasuoni gestisce facilmente elevate concentrazioni di solidi (ad es. paste) e disperde le nanoparticelle singolarmente, producendo una sospensione uniforme. Ciò garantisce che, nella successiva applicazione, quando il substrato viene rivestito, nessun raggruppamento di particelle, come gli agglomerati, comprometta le prestazioni del rivestimento.

La dispersione a ultrasuoni prepara sospensioni uniformi di particelle nanometriche: curva verde – prima della sonicazione / curva rossa dopo la sonicazione

Processori a ultrasuoni per la precipitazione della perovskite

Hielscher Ultrasonics progetta e produce sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni per la sintesi sonochimica di cristalli di perovskite di alta qualità. In qualità di leader di mercato e grazie alla lunga esperienza nel trattamento a ultrasuoni, Hielscher Ultrasonics assiste i propri clienti dalle prime prove di fattibilità all’ottimizzazione del processo, fino all’installazione finale di processori a ultrasuoni industriali per la produzione su larga scala. Offrendo una gamma completa, dai sonicatori da laboratorio e da banco fino ai processori a ultrasuoni industriali, Hielscher può consigliarvi il dispositivo ideale per il vostro processo di produzione di nanocristalli.
Tutti i sonicatori Hielscher sono precisamente controllabili e possono essere regolati da ampiezze molto basse ad ampiezze molto elevate. L’ampiezza è uno dei principali fattori che influenzano l’impatto e la capacità distruttiva dei processi di sonicazione. I processori a ultrasuoni di Hielscher Ultrasonics offrono uno spettro molto ampio di ampiezze, che copre applicazioni da molto blande e delicate a molto intense e distruttive. La scelta della corretta impostazione dell’ampiezza, del booster e del sonotrodo consente di impostare l’impatto ultrasonico richiesto per il vostro processo specifico. Lo speciale inserto Hielscher per reattore a cella di flusso MPC48 – MultiPhaseCavitator (vedere l’immagine a sinistra) – consente di iniettare la seconda fase tramite 48 cannule sotto forma di «thin strain» nella zona di massima attività cavitazionale, dove onde ultrasoniche ad alte prestazioni disperdono le due fasi in una miscela omogenea. Il MultiPhaseCavitator è ideale per avviare punti di innesco della cristallizzazione e controllare la reazione di precipitazione dei nanocristalli di perovskite.
I processori a ultrasuoni industriali Hielscher possono fornire ampiezze straordinariamente elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente mantenute in continuo durante il funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora più elevate sono disponibili sonotrodi ultrasonici personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 per impieghi gravosi e in ambienti impegnativi.
I nostri clienti apprezzano l’eccezionale robustezza e affidabilità dei sistemi Hielscher Ultrasonics. L’installazione in applicazioni gravose, in ambienti impegnativi e per il funzionamento 24/7 garantisce un trattamento efficiente ed economico. L’intensificazione dei processi mediante ultrasuoni riduce i tempi di trattamento e consente di ottenere risultati migliori, ossia qualità superiore, rese più elevate e prodotti innovativi.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: