Ultrasonikasyon ile Perovskit Sentezi

Ultrasonik olarak başlatılan ve yoğunlaştırılan reaksiyonlar, çoğu zaman geleneksel tekniklerle hazırlanamayan, ışıkla etkinleşen malzemelerin üretimi için kolay, hassas biçimde kontrol edilebilir ve çok yönlü bir sentez yöntemi sunar.
Perovskit kristallerinin ultrasonik kristalizasyonu ve çöktürülmesi, seri üretim için endüstriyel ölçekte perovskit nanokristalleri üretmeye olanak tanıyan, son derece etkili ve ekonomik bir tekniktir.

Perovskit Nanokristallerinin Ultrasonik Sentezi

Organik–inorganik kurşun halojenür perovskitler; yüksek ışık soğurması, çok uzun taşıyıcı ömrü, taşıyıcı difüzyon uzunluğu ve yüksek taşıyıcı hareketliliği gibi olağanüstü optoelektronik özellikler sergiler. Bu özellikler, perovskit bileşiklerini güneş panelleri, LED’ler, fotodedektörler, lazerler vb. alanlardaki yüksek performanslı uygulamalar için üstün bir işlevsel malzeme hâline getirir.
Ultrasonikasyon, çeşitli organik reaksiyonları hızlandırmak için kullanılan fiziksel yöntemlerden biridir. Kristalizasyon süreci ultrasonik işlemle etkilenir ve kontrol edilir; bunun sonucunda tek kristalli perovskit nanoparçacıklarının boyut özellikleri kontrol edilebilir.

CH₃NH₃PbBr₃ kuantum noktalarının (QDs) (a) ultrasonik işlem uygulanmış ve (b) ultrasonik işlem uygulanmamış hâllerinin TEM görüntüleri.

Ultrasonik Perovskit Sentezine İlişkin Vaka Çalışmaları

Araştırmalarda, ultrasonik destekli perovskit kristali büyütmenin pek çok türü gerçekleştirilmiştir. Genel olarak perovskit kristalleri sıvı ortamda büyütme yöntemiyle hazırlanır. Perovskit kristallerini çöktürmek için hedef numunelerin bir öncül çözeltideki çözünürlüğü yavaş ve kontrollü biçimde azaltılır. Perovskit nanokristallerinin ultrasonik çöktürülmesi esas olarak antisolvent ile ani çöktürmeye dayanır.

Perovskit Nanokristallerinin Ultrasonik Kristalizasyonu

Jang ve diğerleri (2016), kurşun halojenür perovskit nanokristallerinin başarılı ultrasonik destekli sentezini bildirmektedir. Ultrason kullanılarak APbX₃ perovskit nanokristalleri, A = CH₃NH₃, Cs veya HN=CHNH₃ (formamidinyum) ve X = Cl, Br veya I olduğu geniş bir bileşim aralığında çöktürülmüştür. Ultrasonikasyon, öncüllerin (AX ve PbX₂) toluen içindeki çözünme sürecini hızlandırır ve çözünme hızı, nanokristallerin büyüme hızını belirler. Ardından araştırma ekibi, eş boyutlu nanokristalleri geniş alanlı silisyum oksit substratlara döndürerek kaplama yöntemiyle homojen biçimde uygulayarak yüksek hassasiyetli fotodedektörler üretmiştir.

CH3NH3PbBr3’ün (a) ultrasonik işlem uygulanmış ve (b) ultrasonik işlem uygulanmamış hâllerinin parçacık boyutu dağılımları.
Chen ve diğerleri 2017

Perovskitin Ultrasonik Asimetrik Kristalizasyonu

Peng ve diğerleri (2016), çekirdeklenme bariyerini aşmak için yeterli enerji sağlayarak heterojen çekirdeklenmeyi destekleyen, kavitasyonla tetiklenen asimetrik kristalizasyona (CTAC) dayalı yeni bir büyütme yöntemi geliştirmiştir. Kısaca, çözelti antisolvent buhar difüzyonuyla düşük bir aşırı doygunluk seviyesine ulaştığında çözeltiye çok kısa ultrasonik darbeler (≈ 1sec) uygulamışlardır. Ultrasonik darbe, kavitasyonun aşırı sayıda çekirdeklenme olayını ve dolayısıyla çok sayıda minik kristalin büyümesini tetiklediği yüksek aşırı doygunluk seviyelerinde uygulanır. Umut verici biçimde, MAPbBr₃ tek kristalli filmleri, döngüsel ultrasonikasyon işleminin birkaç saati içinde çeşitli substratların yüzeyinde büyümüştür.

Perovskit Kuantum Noktalarının Ultrasonik Sentezi

Chen ve diğerleri (2017), araştırmalarında ultrasonik ışınım altında perovskit kuantum noktaları (QDs) hazırlamak için verimli bir yöntem sunmaktadır. Ultrasonikasyon, perovskit kuantum noktalarının çöktürülmesini hızlandırmak amacıyla mekanik bir yöntem olarak kullanılır. Perovskit kuantum noktalarının kristalizasyon süreci ultrasonik işlemle yoğunlaştırılır ve kontrol edilir; bunun sonucunda nanokristallerin boyutu hassas biçimde ayarlanır. Perovskit kuantum noktalarının yapısının, parçacık boyutunun ve morfolojisinin analizi, ultrasonik kristalizasyonun daha küçük parçacık boyutları ve daha homojen bir parçacık boyutu dağılımı sağladığını göstermiştir. Ultrasonik (= sonokimyasal) sentez kullanılarak farklı kimyasal bileşimlere sahip perovskit kuantum noktaları üretmek de mümkün olmuştur. Perovskit kristallerindeki bu farklı bileşimler, CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br ve I) bileşiğinin emisyon pikleri ve adsorpsiyon kenarları üzerinde “unable” işlemine olanak tanımış ve bu da son derece geniş bir renk gamına yol açmıştır.

Ultrasonik Dispersiyon

Nanoparçacık süspansiyonlarının ve mürekkeplerin ultrasonikasyonu, nanosüspansiyonu ızgaralar veya elektrotlar gibi substratlara uygulamadan önce bunları homojen biçimde disperse etmek için güvenilir bir tekniktir. (bkz. Belchi ve diğerleri 2019; Pichler ve diğerleri 2018)
Ultrasonik dispersiyon, yüksek katı madde konsantrasyonlarını (ör. pastalar) kolaylıkla işler ve nanoparçacıkları ayrı ayrı disperse edilmiş parçacıklar hâlinde dağıtarak homojen bir süspansiyon oluşturur. Bu, sonraki uygulamada substrat kaplanırken aglomeratlar gibi hiçbir kümelenmenin kaplamanın performansını bozmamasını güvence altına alır.

Ultrasonik dispersiyon, homojen nano boyutlu süspansiyonlar hazırlar: yeşil eğri – sonikasyon öncesi / kırmızı eğri – sonikasyon sonrası

Perovskit Çöktürme için Ultrasonik İşlemciler

Hielscher Ultrasonics, yüksek kaliteli perovskit kristallerinin sonokimyasal sentezi için yüksek performanslı ultrasonik sistemler tasarlar ve üretir. Pazar lideri olan ve ultrasonik işleme alanında uzun yıllara dayanan deneyime sahip Hielscher Ultrasonics, ilk fizibilite testinden süreç optimizasyonuna ve büyük ölçekli üretim için endüstriyel ultrasonik işlemcilerin nihai kurulumuna kadar müşterilerine destek verir. Laboratuvar ve masaüstü sonikatörlerinden endüstriyel ultrasonik işlemcilere kadar tüm ürün portföyünü sunan Hielscher, nanokristal süreciniz için ideal cihazı önerebilir.
Tüm Hielscher sonikatörleri hassas biçimde kontrol edilebilir ve çok düşükten çok yükseğe kadar genliklere ayarlanabilir. Genlik, sonikasyon süreçlerinin etkisini ve yıkıcılığını belirleyen temel faktörlerden biridir. Hielscher Ultrasonics ultrasonik işlemcileri, çok hafif ve yumuşak uygulamalardan çok yoğun ve yıkıcı uygulamalara kadar uzanan aralığı kapsayan çok geniş bir genlik spektrumu sunar. Doğru genlik ayarının, güçlendiricinin ve sonotrodun seçilmesi, özel süreciniz için gereken ultrasonik etkinin ayarlanmasına olanak tanır. Hielscher’in özel akış hücresi reaktörü iç parçası MPC48 – MultiPhaseCavitator (soldaki resme bakın) – ikinci fazın 48 kanül aracılığıyla “thin strain” biçiminde kavitasyonun sıcak noktasına enjekte edilmesine olanak tanır; burada yüksek performanslı ultrason dalgaları iki fazı homojen bir karışım hâlinde disperse eder. MultiPhaseCavitator, kristal tohumlanma noktalarını başlatmak ve perovskit nanokristallerinin çöktürme reaksiyonunu kontrol etmek için idealdir.
Hielscher endüstriyel ultrasonik işlemcileri olağanüstü yüksek genlikler sunabilir. 200µm’ye kadar genliklerde 24/7 çalışma kolaylıkla kesintisiz sürdürülebilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur. Hielscher ultrasonik ekipmanının sağlamlığı, ağır hizmet koşullarında ve zorlu ortamlarda 24/7 çalışmaya olanak tanır.
Müşterilerimiz, Hielscher Ultrasonic sistemlerinin olağanüstü sağlamlığından ve güvenilirliğinden memnundur. Ağır hizmet uygulama alanlarında, zorlu ortamlarda ve 24/7 çalışma koşullarında kurulum, verimli ve ekonomik işlemeyi güvence altına alır. Ultrasonik süreç yoğunlaştırma, işlem süresini azaltır ve daha iyi sonuçlar, yani daha yüksek kalite, daha yüksek verimler ve yenilikçi ürünler elde edilmesini sağlar.
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bilgi verir: