Syntes av perovskit genom ultraljudsbehandling

Ultraljudsinducerade och ultraljudsintensifierade reaktioner erbjuder en enkel, exakt styrbar och mångsidig syntesmetod för framställning av ljusaktiverade material, som ofta inte kan framställas med konventionella tekniker.
Ultraljudskristallisation och ultraljudsutfällning av perovskitkristaller är en mycket effektiv och ekonomisk teknik som möjliggör framställning av perovskitnanokristaller i industriell skala för massproduktion.

Ultraljudssyntes av perovskitnanokristaller

Organiska–oorganiska blyhalogenidperovskiter uppvisar exceptionella optoelektroniska egenskaper såsom hög ljusabsorption, mycket lång livslängd för laddningsbärare, diffusionslängd för laddningsbärare och hög laddningsbärarrörlighet, vilket gör perovskitföreningarna till ett överlägset funktionellt material för högpresterande tillämpningar i solpaneler, lysdioder, fotodetektorer, lasrar etc.
Ultraljudsbehandling är en av de fysikaliska metoderna för att påskynda olika organiska reaktioner. Kristallisationsprocessen påverkas och styrs av ultraljudsbehandlingen, vilket gör storleksegenskaperna hos de enkristallina perovskitnanopartiklarna styrbara.

TEM-bilder av CH₃NH₃PbBr₃ -kvantprickar (a) med och (b) utan ultraljudsbehandling.

Fallstudier av ultraljudssyntes av perovskit

Inom forskningen har många olika typer av ultraljudsassisterad tillväxt av perovskitkristaller genomförts. I allmänhet framställs perovskitkristaller genom tillväxt i vätskefas. För att fälla ut perovskitkristaller minskas målprovernas löslighet långsamt och kontrollerat i en prekursorlösning. Ultraljudsutfällning av perovskitnanokristaller bygger huvudsakligen på snabb tillsats av ett antilösningsmedel.

Ultraljudskristallisation av perovskitnanokristaller

Jang et al. (2016) rapporterar om framgångsrik ultraljudsassisterad syntes av blyhalogenidperovskitnanokristaller. Med hjälp av ultraljud fälldes APbX₃ -perovskitnanokristaller med ett brett spektrum av sammansättningar ut, där A = CH₃NH₃, Cs eller HN=CHNH₃ (formamidinium) och X = Cl, Br eller I. Ultraljudsbehandling påskyndar upplösningen av prekursorerna (AX och PbX₂) i toluen, och upplösningshastigheten bestämmer nanokristallernas tillväxthastighet. Därefter tillverkade forskargruppen högkänsliga fotodetektorer genom att jämnt spinnbelägga kiseloxidsubstrat med stor yta med nanokristaller av enhetlig storlek.

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

Asymmetrisk kristallisation av perovskit med ultraljud

Peng et al. (2016) utvecklade en ny tillväxtmetod baserad på kavitationsutlöst asymmetrisk kristallisation (CTAC), som främjar heterogen kärnbildning genom att tillföra tillräckligt med energi för att övervinna kärnbildningsbarriären. Kortfattat tillförde de mycket korta ultraljudspulser (≈ 1sec) till lösningen när den nådde en låg övermättnadsnivå genom ångdiffusion av antilösningsmedel. Ultraljudspulsen tillförs vid höga övermättnadsnivåer, där kavitation utlöser ett överflöd av kärnbildningshändelser och därmed tillväxt av en stor mängd små kristaller. Ett lovande resultat var att monokristallina filmer av MAPbBr₃ växte på ytan av olika substrat inom flera timmar under den cykliska ultraljudsbehandlingen.

Ultraljudssyntes av perovskitkvantprickar

Chen et al. (2017) presenterar i sitt forskningsarbete en effektiv metod för att framställa perovskitkvantprickar (QDs) under ultraljudsbestrålning. Ultraljudsbehandling används som en mekanisk metod för att påskynda utfällningen av perovskitkvantprickar. Perovskitkvantprickarnas kristallisationsprocess intensifieras och styrs genom ultraljudsbehandlingen, vilket resulterar i en exakt skräddarsydd storlek på nanokristallerna. Analysen av perovskitkvantprickarnas struktur, partikelstorlek och morfologi visade att ultraljudskristallisationen ger mindre partikelstorlekar och en jämnare partikelstorleksfördelning. Med ultraljudssyntesen (= sonokemisk syntes) var det också möjligt att framställa perovskitkvantprickar med olika kemiska sammansättningar. Dessa olika sammansättningar i perovskitkristallerna gjorde det möjligt att omöjliggöra emissionstoppar och adsorptionskanter hos CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br och I), vilket ledde till ett extremt brett färgomfång.

Ultraljudsdispergering

Ultraljudsbehandling av nanopartikelsuspensioner och bläck är en tillförlitlig teknik för att dispergera dem homogent innan nanosuspensionen appliceras på substrat såsom galler eller elektroder. (jfr Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ultraljudsdispergering hanterar enkelt höga koncentrationer av fasta ämnen (t.ex. pastor) och fördelar nanopartiklarna som enskilt dispergerade partiklar så att en jämn suspension bildas. Detta säkerställer att inga klumpar, såsom agglomerat, försämrar beläggningens prestanda vid den efterföljande appliceringen, när substratet beläggs.

Ultraljudsdispergering ger jämna suspensioner med partiklar i nanostorlek: grön kurva – före ultraljudsbehandling / röd kurva efter ultraljudsbehandling

Ultraljudsprocessorer för utfällning av perovskit

Hielscher Ultrasonics utvecklar och tillverkar högpresterande ultraljudssystem för sonokemisk syntes av högkvalitativa perovskitkristaller. Som marknadsledare och med lång erfarenhet av ultraljudsbearbetning hjälper Hielscher Ultrasonics sina kunder från det första genomförbarhetstestet via processoptimering till den slutliga installationen av industriella ultraljudsprocessorer för storskalig produktion. Med sitt kompletta sortiment, från ultraljudsapparater för laboratorier och bänkbruk till industriella ultraljudsprocessorer, kan Hielscher rekommendera den idealiska apparaten för din nanokristallprocess.
Alla ultraljudsapparater från Hielscher kan styras exakt och ställas in från mycket låga till mycket höga amplituder. Amplituden är en av de viktigaste faktorerna som påverkar ultraljudsprocessernas verkan och destruktivitet. Ultraljudsprocessorer från Hielscher Ultrasonics levererar ett mycket brett spektrum av amplituder som täcker allt från mycket milda och skonsamma till mycket intensiva och destruktiva tillämpningar. Genom att välja rätt amplitudinställning, booster och sonotrod kan den ultraljudsverkan som krävs för just din process ställas in. Hielschers speciella insats för flödescellsreaktorer MPC48 – MultiPhaseCavitator (se bilden till vänster) – gör det möjligt att injicera den andra fasen via 48 kanyler som en tunn stråle in i kavitationens hetzon, där högpresterande ultraljudsvågor dispergerar de två faserna till en homogen blandning. MultiPhaseCavitator är idealisk för att initiera kristallgroddar och styra utfällningsreaktionen för perovskitnanokristaller.
Hielschers industriella ultraljudsprocessorer kan leverera utomordentligt höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, sju dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder. Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt, sju dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer.
Våra kunder är nöjda med den enastående robustheten och tillförlitligheten hos systemen från Hielscher Ultrasonic. Installation i tillämpningar med hög belastning, krävande miljöer och drift dygnet runt, sju dagar i veckan, säkerställer effektiv och ekonomisk bearbetning. Processintensifiering med ultraljud minskar bearbetningstiden och ger bättre resultat, dvs. högre kvalitet, högre utbyten och innovativa produkter.
Tabellen nedan ger en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: