Синтез перовскитов методом ультразвука

Ультразвуковые и интенсифицированные реакции представляют собой простой, точно контролируемый и универсальный метод синтеза для производства светоактивируемых материалов, которые часто не могут быть получены традиционными методами.
Ультразвуковая кристаллизация и осаждение кристаллов перовскита является высокоэффективным и экономичным методом, позволяющим получать нанокристаллы перовскитов в промышленных масштабах для массового производства.

Ультразвуковой синтез нанокристаллов перовскита

Органо-неорганические перовскиты галогенидов свинца демонстрируют исключительные оптоэлектронные свойства, такие как высокое поглощение света, очень долгий срок службы носителя, длина диффузии носителя и высокая подвижность носителей, что делает соединения перовскитов превосходным функциональным материалом для высокопроизводительных применений в солнечных панелях, светодиодах, фотодетекторах, лазерах и т. д.
Ультразвук является одним из физических методов ускорения различных органических реакций. Ультразвуковая обработка влияет на процесс кристаллизации и контролируется им, что приводит к контролируемым размерным свойствам монокристаллических перовскитных наночастиц.

Изображения ПЭМ для CH₃nH₃ПбБр₃ КТ (а) с и (б) без ультразвуковой обработки.

Тематические исследования ультразвукового синтеза перовскитов

В исследованиях проводились различные типы ультразвукового роста кристаллов перовскитов. Как правило, кристаллы перовскита получают методом жидкостного роста. Для осаждения кристаллов перовскита растворимость целевых образцов медленно и контролируемо снижается в растворе прекурсора. Ультразвуковое осаждение нанокристаллов перовскита в основном основано на закалке антирастворителем.

Ультразвуковая кристаллизация нанокристаллов перовскита

Jang et al. (2016) сообщают об успешном ультразвуковом синтезе нанокристаллов перовскита галогенида свинца. С помощью ультразвука APbX₃ нанокристаллы перовскита с широким диапазоном составов, где A = CH₃nH₃, Cs, или HN=CHNH₃ (formamidinium) и X = Cl, Br или I. Ультразвуковая обработка ускоряет процесс растворения прекурсоров (AX и PbX)₂) в толуоле, а скорость растворения определяет скорость роста нанокристаллов. Впоследствии исследовательская группа изготовила высокочувствительные фотодетекторы путем однородного спиннингового покрытия нанокристаллов одинакового размера на подложках из оксида кремния большой площади.

Распределение частиц по размерам CH3NH3PbBr3 (a) с и (b) без ультразвуковой обработки.Chen et al. 2017

Ультразвуковая асимметричная кристаллизация перовскита

Peng et al. (2016) разработали новый метод роста, основанный на кавитационно-триггерной асимметричной кристаллизации (CTAC), которая способствует гетерогенной зародышеобразованию, обеспечивая достаточную энергию для преодоления барьера зародышеобразования. Вкратце, они вводили очень короткие ультразвуковые импульсы (≈ 1 сек) в раствор при достижении им низкого уровня пересыщения с диффузией паров антирастворителей. Ультразвуковой импульс вводится при высоких уровнях пересыщения, где кавитация вызывает чрезмерные события зародышеобразования и, следовательно, рост множества крошечных кристаллов. Перспективно, МАПбБр₃ Монокристаллические пленки выросли на поверхности различных подложек в течение нескольких часов после циклической ультразвуковой обработки.

Ультразвуковой синтез перовскитных квантовых точек

Chen et al. (2017) представляют в своей исследовательской работе эффективный метод получения перовскитных квантовых точек (КТ) при ультразвуковом облучении. Ультразвуковое воздействие используется в качестве механического метода для того, чтобы ускорить осаждение перовскитных квантовых точек. Процесс кристаллизации перовскитных квантовых точек интенсифицируется и контролируется ультразвуковой обработкой, что приводит к точно подобранному размеру нанокристаллов. Анализ структуры, размера частиц и морфологии перовскитных квантовых точек показал, что ультразвуковая кристаллизация дает меньшие размеры частиц и более равномерное распределение частиц по размерам. С помощью ультразвукового (= сонохимического) синтеза также удалось получить перовскитные квантовые точки с различным химическим составом. Эти различные составы в кристаллах перовскита позволили избежать пиков излучения и адсорбционных краев CH.₃nH₃Уатс₃ (X = Cl, Br и I), что привело к чрезвычайно широкой цветовой гамме.

Ультразвуковая дисперсия

Ультразвуковая обработка суспензий наночастиц и чернил является надежным методом их равномерного диспергирования перед нанесением наносуспензии на такие подложки, как сетки или электроды. (ср. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ультразвуковая дисперсия легко справляется с высокими концентрациями твердых веществ (например, паст) и распределяет наночастицы на одиночные дисперсные частицы, что обеспечивает образование однородной суспензии. Это гарантирует, что при последующем нанесении, когда на основание нанесено покрытие, никакие комки, такие как агломераты, не ухудшат характеристики покрытия.

Ультразвуковая дисперсия подготавливает однородные наноразмерные суспензии: зеленая кривая – до ультразвуковой обработки? красная кривая после ультразвуковой обработки

Ультразвуковые процессоры для осаждения перовскитов

Hielscher Ultrasonics разрабатывает и производит высокопроизводительные ультразвуковые системы для сонохимического синтеза высококачественных кристаллов перовскита. Являясь лидером рынка и обладая многолетним опытом в области ультразвуковой обработки, компания Hielscher Ultrasonics помогает своим клиентам от первого технико-экономического обоснования до оптимизации процесса и окончательной установки промышленных ультразвуковых процессоров для крупносерийного производства. Предлагая полный ассортимент от лабораторных и настольных ультразвуковых аппаратов до промышленных ультразвуковых процессоров, Hielscher может порекомендовать вам идеальное устройство для вашего процесса обработки нанокристаллов.
Все ультразвуковые аппараты Hielscher точно управляются и могут быть настроены от очень низких до очень высоких амплитуд. Амплитуда является одним из основных факторов, влияющих на воздействие и разрушительность процессов ультразвуковой обработки. Ультразвуковые технологии Hielscher’ Ультразвуковые процессоры обеспечивают очень широкий спектр амплитуд, охватывающий диапазон от очень мягких и мягких до очень интенсивных и разрушительных применений. Правильный выбор амплитуды, бустера и сонотрода позволяет установить необходимое ультразвуковое воздействие для вашего конкретного процесса. Специальная вставка для реактора с проточной ячейкой Хильшера MPC48 – Многофазный кавитатор (см. рис. слева) – Позволяет вводить вторую фазу с помощью 48 канюль в виде тонкого штамма в кавитационную горячую точку, где высокоэффективные ультразвуковые волны рассеивают две фазы в однородную смесь. MultiPhaseCavitator идеально подходит для инициирования точек затравки кристаллов и управления реакцией осаждения нанокристаллов перовскита.
Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher могут обеспечивать чрезвычайно высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях эксплуатации и в сложных условиях.
Наши клиенты довольны выдающейся прочностью и надежностью систем Hielscher Ultrasonic. Установка в тяжелых условиях эксплуатации, в сложных условиях и работа в режиме 24/7 обеспечивают эффективную и экономичную обработку. Ультразвуковая интенсификация процесса сокращает время обработки и позволяет добиться лучших результатов, т.е. более высокого качества, более высоких выходов, инновационных продуктов.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: