Perovskit syntes genom ultraljud

Ultraljudsinducerade och intensifierade reaktioner erbjuder en enkel, exakt kontrollerbar och mångsidig syntesmetod för produktion av ljusaktiverade material, som ofta inte kan framställas med konventionella tekniker.
Ultraljudskristallisation och utfällning av perovskitkristaller är en mycket effektiv och ekonomisk teknik, som gör det möjligt att producera perovskitnanokristaller i industriell skala för massproduktion.

Ultraljud syntes av perovskit nanokristaller

Organiska-oorganiska blyhalidperovskiter uppvisar exceptionella optoelektroniska egenskaper såsom hög ljusabsorption, mycket lång bärarlivslängd, bärardiffusionslängd och hög bärarrörlighet, vilket gör perovskitföreningarna till ett överlägset funktionellt material för högpresterande applikationer i solpaneler, lysdioder, fotodetektorer, lasrar, etc.
Ultraljud är en av de fysiska metoderna för att påskynda olika organiska reaktioner. Kristallisationsprocessen påverkas och styrs av ultraljudsbehandlingen, vilket resulterar i de kontrollerbara storleksegenskaperna hos de enkristallina perovskitnanopartiklarna.

TEM-bilder för CH₃Nh₃PbBr₃ QD:er (a) med och (b) utan ultraljudsbehandling.

Fallstudier av ultraljud perovskit syntes

Forskning har genomfört många typer av ultraljudsassisterad perovskitkristalltillväxt. I allmänhet framställs perovskitkristaller med den flytande tillväxtmetoden. För att fälla ut perovskitkristaller reduceras lösligheten hos målproverna långsamt och kontrollerat i en prekursorlösning. Ultraljudsutfällning av perovskitnanokristaller är huvudsakligen baserad på en antilösningsmedelskylning.

Ultraljudskristallisation av perovskitnanokristaller

Jang et al. (2016) rapporterar den framgångsrika ultraljudsassisterade syntesen av blyhalidperovskitnanokristaller. Med hjälp av ultraljud, APbX₃ perovskitnanokristaller med ett brett spektrum av sammansättningar, där A = CH₃Nh₃, Cs eller HN=CHNH₃ (formamidinium), och X = Cl, Br eller I, fälldes ut. Ultraljud påskyndar upplösningsprocessen av prekursorerna (AX och PbX₂) i toluen, och upplösningshastigheten bestämmer tillväxthastigheten för nanokristallerna. Därefter tillverkade forskargruppen högkänsliga fotodetektorer genom att homogent spinnbelägga nanokristaller av jämn storlek på kiseloxidsubstrat med stor yta.

Partikelstorleksfördelningar av CH3NH3PbBr3 (a) med och (b) utan ultraljudsbehandling.
Chen et al. 2017

Ultraljud asymmetrisk kristallisation av perovskit

Peng et al. (2016) utvecklade en ny tillväxtmetod baserad på en kavitationsutlöst asymmetrisk kristallisation (CTAC), som främjar heterogen kärnbildning genom att tillhandahålla tillräckligt med energi för att övervinna kärnbildningsbarriären. Kortfattat introducerade de en mycket kort ultraljudspuls (≈ 1 sek) till lösningen när den nådde en låg övermättnadsnivå med diffusion av antilösningsmedelsånga. Ultraljudspulsen introduceras vid höga övermättnadsnivåer, där kavitation utlöser överdrivna kärnbildningshändelser och därför tillväxten av en uppsjö av små kristaller. Lovande, MAPbBr₃ Monokristallina filmer växte på ytan av olika substrat inom flera timmar efter den cykliska ultraljudsbehandlingen.

Ultraljudssyntes av perovskit kvantprickar

Chen et al. (2017) presenterar i sitt forskningsarbete en effektiv metod för att förbereda perovskitkvantprickar (QD) under ultraljudsbestrålning. Ultraljud används som en mekanisk metod för att påskynda utfällningen av perovskit kvantprickar. Kristallisationsprocessen av perovskitkvantprickarna intensifieras och kontrolleras av ultraljudsbehandlingen, vilket resulterar i den exakt skräddarsydda storleken på nanokristallerna. Analysen av strukturen, partikelstorleken och morfologin hos perovskitkvantprickarna visade att ultraljudskristallisationen ger en mindre partikelstorlek och en mer enhetlig partikelstorleksfördelning. Med hjälp av ultraljudssyntesen (= sonokemisk) var det också möjligt att framställa perovskitkvantprickar med olika kemisk sammansättning. Dessa olika sammansättningar i perovskitkristallerna gjorde det möjligt att inte kunna emissionstoppar och adsorptionskanter av CH₃Nh₃Pbx₃ (X = Cl, Br och I), vilket ledde till ett extremt brett färgomfång.

Ultraljud dispersion

Ultraljud av nanopartikelsuspensioner och bläck är en pålitlig teknik för att sprida dem homogent innan nanosuspensionen appliceras på substrat som galler eller elektroder. (jfr Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ultraljudsdispersion hanterar lätt höga fasta koncentrationer (t.ex. pastor) och distribuerar nanopartiklar till enkeldispergerade partiklar så att en enhetlig suspension produceras. Detta säkerställer att vid den efterföljande appliceringen, när substratet är belagt, försämras beläggningens prestanda inte vid den efterföljande appliceringen, t.ex. agglomerat.

Ultraljudsdispersion förbereder enhetliga suspensioner i nanostorlek: grön kurva – före ultraljudsbehandling / röd kurva efter ultraljudsbehandling

Ultraljudsprocessorer för perovskitutfällning

Hielscher Ultrasonics designar och tillverkar högpresterande ultraljudssystem för sonokemisk syntes av högkvalitativa perovskitkristaller. Som marknadsledare och med lång erfarenhet av ultraljudsbehandling hjälper Hielscher Ultrasonics sina kunder från första genomförbarhetstest till processoptimering till den slutliga installationen av industriella ultraljudsprocessorer för storskalig produktion. Hielscher erbjuder hela portföljen från labb och bänk ultraljudsapparater upp till industriella ultraljudsprocessorer, kan Hielscher rekommendera dig den perfekta enheten för din nanokristallprocess.
Alla Hielscher ultraljudsapparater är exakt kontrollerbara och kan ställas in från mycket låga till mycket höga amplituder. Amplituden är en av de viktigaste faktorerna som påverkar påverkan och destruktivitet av ultraljudsbehandlingsprocesser. Hielscher Ultraljud’ Ultraljudsprocessorer levererar ett mycket brett spektrum av amplituder som täcker intervallet från mycket milda och mjuka till mycket intensiva och destruktiva applikationer. Genom att välja rätt amplitudinställning, booster och sonotrode kan du ställa in den ultraljudseffekt som krävs för din specifika process. Hielschers speciella flödescellreaktorinsats MPC48 – MultiPhaseCavitator (se bild till vänster) – Gör det möjligt att injicera den andra fasen via 48 kanyler som en tunn stam i kavitationell hot-spot, där högpresterande ultraljudsvågor sprider de två faserna till en homogen blandning. MultiPhaseCavitator är idealisk för att initiera kristallsåpunkter och för att kontrollera utfällningsreaktionen hos perovskitnanokristaller.
Hielscher industriella ultraljudsprocessorer kan leverera utomordentligt höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer.
Våra kunder är nöjda med den enastående robustheten och tillförlitligheten hos Hielscher Ultrasonics system. Installationen i områden med tung användning, krävande miljöer och 24/7 drift säkerställer effektiv och ekonomisk bearbetning. Ultraljudsprocessintensifiering minskar bearbetningstiden och uppnår bättre resultat, dvs. högre kvalitet, högre avkastning, innovativa produkter.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: