超音波によるペロブスカイト合成

超音波によって誘導され、強められた反応は、従来の技術では調製できないことが多い光活性材料の製造において、簡便で、精密に制御可能な、多用途の合成法を提供する。
ペロブスカイト結晶の超音波晶析と沈殿は、非常に効果的で経済的な技術であり、ペロブスカイトナノ結晶を工業的規模で大量生産することができる。

ペロブスカイトナノ結晶の超音波合成

有機-無機ハロゲン化鉛ペロブスカイトは、高い光吸収率、非常に長いロングキャリア寿命、キャリア拡散長、高いキャリア移動度などの卓越した光電子特性を示し、ペロブスカイト化合物は、ソーラーパネル、LED、光検出器、レーザーなどの高性能アプリケーションのための優れた機能材料となっている。
超音波処理は、様々な有機反応を促進する物理的手法の一つである。結晶化プロセスは超音波処理によって影響を受け、制御され、その結果、単結晶ペロブスカイトナノ粒子のサイズ特性を制御することができる。

CHのTEM像₃エヌエイチ₃PbBr₃ 超音波処理を行ったQD（a）と行わなかったQD（b）。

超音波ペロブスカイト合成のケーススタディ

超音波アシストによるペロブスカイト結晶成長については、様々な研究が行われている。一般的に、ペロブスカイト結晶は液体成長法で作製される。ペロブスカイト結晶を析出させるためには、ターゲット試料の溶解度を前駆体溶液中でゆっくりと制御しながら低下させる。ペロブスカイトナノ結晶の超音波析出は、主に抗溶媒クエンチに基づいています。

ペロブスカイトナノ結晶の超音波結晶化

Jangら（2016）は、ハロゲン化鉛ペロブスカイトナノ結晶の超音波アシスト合成に成功したことを報告している。超音波を用いて、APbX₃ 幅広い組成のペロブスカイト・ナノ結晶（A = CH₃エヌエイチ₃Cs、またはHN=CHNHである。₃ (ホルムアミジニウム）、X＝Cl、Br、またはIを沈殿させた。超音波処理により、前駆体（AXおよびPbX）の溶解プロセスが加速された。₂)をトルエンに溶解させ、その溶解速度がナノ結晶の成長速度を決定する。その後、研究チームは、大面積の酸化シリコン基板上に均一な大きさのナノ結晶をスピンコートし、高感度光検出器を作製した。

超音波処理を行ったCH3NH3PbBr3（a）と行わなかったCH3NH3PbBr3（b）の粒度分布。
チェン他2017年

ペロブスカイトの超音波非対称結晶化

Pengら（2016）は、キャビテーション・トリガー非対称結晶化（CTAC）に基づく新たな成長法を開発した。CTACは、核生成障壁を克服するのに十分なエネルギーを提供することによって不均一核生成を促進する。簡単に説明すると、彼らは、溶液が反溶媒蒸気拡散を伴う低い過飽和レベルに達したときに、非常に短い超音波パルス（≒1秒）を溶液に導入した。超音波パルスは過飽和度が高いときに導入され、キャビテーションが過剰な核形成現象を引き起こし、その結果、多数の微小結晶が成長する。有望なことに、MAPbBr₃ 単結晶膜は、繰り返し超音波処理後、数時間以内にさまざまな基板の表面に成長した。

ペロブスカイト量子ドットの超音波合成

Chenら（2017）は、超音波照射下でペロブスカイト量子ドット（QD）を調製する効率的な方法を研究成果で紹介している。超音波照射は、ペロブスカイト量子ドットの析出を促進するための機械的方法として用いられる。ペロブスカイト量子ドットの結晶化プロセスは、超音波処理によって強化・制御され、その結果、ナノ結晶のサイズが精密に調整される。ペロブスカイト量子ドットの構造、粒子径、形態を分析した結果、超音波結晶化によって粒子径が小さくなり、より均一な粒子径分布が得られることがわかった。超音波（＝ソノケミカル）合成を用いて、異なる化学組成のペロブスカイト量子ドットを製造することも可能であった。ペロブスカイト結晶中のこれらの異なる組成により、発光ピークとCH₃エヌエイチ₃PbX₃ (X＝Cl、Br、I）により、極めて広い色域を実現した。

超音波分散

ナノ粒子懸濁液やインクの超音波処理は、グリッドや電極などの基板上にナノ懸濁液を塗布する前に、それらを均質に分散させる信頼性の高い技術である。(参照：Belchi et al.）
超音波分散は、高濃度の固形分（ペーストなど）を容易に扱うことができ、ナノ粒子を単一分散粒子に分散させるため、均一な懸濁液が生成されます。これにより、基材をコーティングする際に、凝集物のような塊がコーティングの性能を損なわないことが保証されます。

超音波分散による均一なナノサイズ懸濁液の調製：グリーンカーブ – 超音波処理前／超音波処理後の赤い曲線

ペロブスカイト析出用超音波プロセッサー

Hielscher Ultrasonics社は、高品質のペロブスカイト結晶の超音波化学合成用の高性能超音波システムを設計・製造しています。市場リーダーとして、また超音波処理における長年の経験を持つHielscher Ultrasonics社は、最初のフィージビリティテストからプロセスの最適化、そして大規模生産のための工業用超音波プロセッサーの最終的な設置まで、お客様をサポートします。ラボ用、ベンチトップ用超音波処理装置から工業用超音波処理装置まで、フルポートフォリオを提供するHielscher社は、お客様のナノクリスタルプロセスに理想的な装置を提案することができます。
Hielscher社の超音波発生装置はすべて精密に制御可能で、非常に低い振幅から非常に高い振幅まで調整することができます。振幅は超音波処理の影響と破壊力を左右する主な要因の一つです。ヒールシャー超音波装置’ 超音波プロセッサは、非常にマイルドでソフトなアプリケーションから、非常に強力で破壊的なアプリケーションまで、幅広い振幅を提供します。適切な振幅設定、ブースター、ソノトロードを選択することで、特定のプロセスに必要な超音波衝撃を設定することができます。Hielscherの特別なフローセルリアクタインサートMPC48 – マルチフェーズキャビテーター（左写真参照） – は、48本のカニューレを介し、高性能超音波が2つの相を均一な混合物に分散させるキャビテーショナルホットスポットに、第2相を細いひずみとして注入することができます。MultiPhaseCavitatorは、結晶のシーディングポイントを開始し、ペロブスカイトナノ結晶の析出反応を制御するのに理想的です。
Hielscherの工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供することができます。最大200µmの振幅を24時間365日連続運転で容易に実現できます。さらに高い振幅を得るためには、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷や過酷な環境下でも24時間365日の稼働が可能です。
Hielscher Ultrasonicのシステムの卓越した堅牢性と信頼性は、お客様にご満足いただいております。ヘビーデューティーなアプリケーション、厳しい環境、24時間365日稼働の分野での設置は、効率的で経済的な処理を保証します。超音波プロセスの強化は、処理時間を短縮し、より良い結果、すなわち、より高い品質、高い歩留まり、革新的な製品を達成します。
下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：