Синтез перовскита с помощью обработки ультразвуком

Реакции, инициируемые и интенсифицируемые ультразвуком, обеспечивают простой, точно управляемый и универсальный метод синтеза для получения материалов, активируемых светом, которые часто невозможно получить традиционными методами.
Ультразвуковая кристаллизация и осаждение кристаллов перовскита – высокоэффективная и экономичная технология, позволяющая получать нанокристаллы перовскита в промышленных масштабах для массового производства.

Ультразвуковой синтез нанокристаллов перовскита

Органо–неорганические галогенидные перовскиты свинца обладают исключительными оптоэлектронными свойствами, такими как высокое поглощение света, очень большое время жизни носителей заряда, длина диффузии носителей заряда и высокая подвижность носителей заряда, что делает перовскитные соединения превосходным функциональным материалом для высокоэффективных солнечных панелей, светодиодов, фотодетекторов, лазеров и т. д.
Обработка ультразвуком – один из физических методов ускорения различных органических реакций. Ультразвуковая обработка влияет на процесс кристаллизации и позволяет управлять им, обеспечивая контроль размеров монокристаллических наночастиц перовскита.

ПЭМ-изображения квантовых точек CH₃NH₃PbBr₃ (a) с ультразвуковой обработкой и (b) без неё.

Примеры исследований ультразвукового синтеза перовскита

В исследованиях изучались разнообразные способы выращивания кристаллов перовскита с помощью ультразвука. Как правило, кристаллы перовскита получают методом выращивания из жидкой среды. Для осаждения кристаллов перовскита растворимость целевых образцов в растворе прекурсоров снижают медленно и контролируемо. Ультразвуковое осаждение нанокристаллов перовскита главным образом основано на резком осаждении с помощью антирастворителя.

Ультразвуковая кристаллизация нанокристаллов перовскита

Jang et al. (2016) сообщают об успешном синтезе нанокристаллов галогенидного перовскита свинца с помощью ультразвука. С помощью ультразвука были осаждены нанокристаллы перовскита APbX₃ с широким диапазоном составов, где A = CH₃NH₃, Cs или HN=CHNH₃ (формамидиний), а X = Cl, Br или I. Обработка ультразвуком ускоряет растворение прекурсоров (AX и PbX₂) в толуоле, а скорость растворения определяет скорость роста нанокристаллов. Затем исследовательская группа изготовила высокочувствительные фотодетекторы, равномерно нанеся нанокристаллы одинакового размера методом центрифугирования на подложки из оксида кремния большой площади.

Распределения частиц CH3NH3PbBr3 по размерам (a) с ультразвуковой обработкой и (b) без неё.
Chen et al. 2017

Ультразвуковая асимметричная кристаллизация перовскита

Peng et al. (2016) разработали новый метод выращивания, основанный на асимметричной кристаллизации, инициируемой кавитацией (CTAC), которая способствует гетерогенному зародышеобразованию, обеспечивая достаточную энергию для преодоления барьера зародышеобразования. Кратко говоря, они воздействовали на раствор очень короткими ультразвуковыми импульсами (≈ 1sec), когда он достигал низкого уровня пересыщения за счёт диффузии паров антирастворителя. Ультразвуковой импульс подаётся при высоких уровнях пересыщения, когда кавитация вызывает чрезмерное зародышеобразование и, следовательно, рост множества крошечных кристаллов. Обнадёживающим результатом стало то, что монокристаллические плёнки MAPbBr₃ выросли на поверхности различных подложек за несколько часов циклической обработки ультразвуком.

Ультразвуковой синтез перовскитных квантовых точек

Chen et al. (2017) представляют в своей исследовательской работе эффективный метод получения перовскитных квантовых точек (QDs) при ультразвуковом облучении. Обработка ультразвуком используется как механический метод ускорения осаждения перовскитных квантовых точек. Ультразвуковая обработка интенсифицирует процесс кристаллизации перовскитных квантовых точек и позволяет управлять им, обеспечивая точно заданный размер нанокристаллов. Анализ структуры, размера частиц и морфологии перовскитных квантовых точек показал, что ультразвуковая кристаллизация обеспечивает меньшие размеры частиц и более равномерное распределение частиц по размерам. С помощью ультразвукового (= сонохимического) синтеза также удалось получить перовскитные квантовые точки с различными химическими составами. Эти различные составы кристаллов перовскита позволили «unable» пики излучения и края адсорбции CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br и I), что обеспечило чрезвычайно широкий цветовой охват.

Ультразвуковое диспергирование

Обработка ультразвуком суспензий наночастиц и чернил – надёжный метод их равномерного диспергирования перед нанесением наносуспензии на подложки, такие как сетки или электроды. (См. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ультразвуковое диспергирование легко справляется с высокими концентрациями твёрдой фазы (например, в пастах) и распределяет наночастицы в виде отдельных диспергированных частиц, обеспечивая получение однородной суспензии. Это гарантирует, что при последующем нанесении покрытия на подложку скопления частиц, такие как агломераты, не ухудшат характеристики покрытия.

Ультразвуковое диспергирование позволяет получать однородные суспензии с частицами наноразмера: зелёная кривая – до обработки ультразвуком / красная кривая – после обработки ультразвуком

Ультразвуковые процессоры для осаждения перовскита

Hielscher Ultrasonics разрабатывает и производит высокопроизводительные ультразвуковые системы для сонохимического синтеза высококачественных кристаллов перовскита. Как лидер рынка, обладающий многолетним опытом в области ультразвуковой обработки, Hielscher Ultrasonics помогает своим клиентам на всех этапах: от первого испытания технологической осуществимости и оптимизации процесса до окончательной установки промышленных ультразвуковых процессоров для крупномасштабного производства. Предлагая полный ассортимент от лабораторных и настольных ультразвуковых аппаратов до промышленных ультразвуковых процессоров, Hielscher может рекомендовать вам идеальное устройство для вашего процесса получения нанокристаллов.
Все ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают точное управление и настройку амплитуды от очень низкой до очень высокой. Амплитуда – один из основных факторов, влияющих на воздействие и разрушительную силу процессов обработки ультразвуком. Ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics обеспечивают очень широкий спектр амплитуд, охватывающий процессы от очень мягких и щадящих до очень интенсивных и разрушительных. Правильный выбор настройки амплитуды, бустера и сонотрода позволяет задать необходимое ультразвуковое воздействие для вашего конкретного процесса. Специальная вставка Hielscher для реактора с проточной ячейкой MPC48 – MultiphaseCavitator (см. изображение слева) – позволяет вводить вторую фазу через 48 канюль в виде «thin strain» в зону интенсивной кавитации, где мощные ультразвуковые волны диспергируют две фазы в однородную смесь. MultiphaseCavitator идеально подходит для инициирования центров зародышеобразования кристаллов и управления реакцией осаждения нанокристаллов перовскита.
Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher могут обеспечивать чрезвычайно высокие амплитуды. Амплитуды до 200µm легко поддерживаются непрерывно в режиме работы 24/7. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях.
Наши клиенты довольны исключительной прочностью и надёжностью систем Hielscher Ultrasonics. Установка для применения при высоких нагрузках, в сложных условиях и в режиме работы 24/7 обеспечивает эффективную и экономичную обработку. Ультразвуковая интенсификация процессов сокращает время обработки и обеспечивает лучшие результаты, то есть более высокое качество, более высокий выход и инновационные продукты.
Таблица ниже даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов: