Синтез перовскітів за допомогою ультразвуку

Ультразвуково індуковані та інтенсифіковані реакції пропонують простий, точно контрольований та універсальний метод синтезу для виробництва світлоактивних матеріалів, які часто неможливо отримати за допомогою традиційних технік.
Ультразвукова кристалізація та осадження перовскітових кристалів є високоефективною та економічною технікою, яка дозволяє виробляти перовскітові нанокристали в промислових масштабах для масового виробництва.

Ультразвуковий синтез перовскітових нанокристалів

Органічно-неорганічні галогенідні перовскіти свинцю демонструють виняткові оптико-електронні властивості, такі як високе поглинання світла, дуже довгий час життя носіїв заряду, довжина дифузії носіїв заряду та висока рухливість носіїв заряду, що робить перовскітові сполуки superior функціональним матеріалом для високопродуктивних застосувань у сонячних панелях, світлодіодах (LED), фотодетекторах, лазерах тощо.
Ультразвукова обробка є одним із фізичних методів прискорення різноманітних органічних реакцій. Процес кристалізації впливає та контролюється ультразвуковою обробкою, що призводить до контрольованих розмірних властивостей однокристалічних перовскітових наночастинок.

Зображення ПЕМ для CH₃NH₃PbBr₃ КК (а) з ультразвуковою обробкою та (б) без неї.

Приклади застосування ультразвукового синтезу перовскітів

Дослідження проводили різноманітні типи ультразвуково-асистованого росту перовскітових кристалів. Загалом, перовскітові кристали готують методом рідкісного росту. Для осадження перовскітових кристалів розчинність цільових зразків повільно та контрольовано знижується в розчині прекурсорів. Ультразвукове осадження перовскітових нанокристалів переважно базується на гасінні антирозчинником.

Ультразвукова кристалізація перовскітових нанокристалів

Jang et al. (2016) повідомляють про успішний ультразвуково-асистований синтез перовскітових нанокристалів галогенідів свинцю. Використовуючи ультразвук, APbX₃ перовскітові нанокристали з широким діапазоном складів, де A = CH₃NH₃, Cs, або HN=CHNH₃ (формамідиній), і X = Cl, Br, або I, були осаджені. Ультразвукова обробка прискорює процес розчинення прекурсорів (AX та PbX₂) у толуолі, і швидкість розчинення визначає швидкість росту нанокристалів. Згодом дослідницька команда виготовила високочутливі фотодетектори, рівномірно наносячи центрифугою нанокристали однорідного розміру на великоплощеві підкладки з оксиду кремнію.

Розподіли розмірів частинок CH3NH3PbBr3 (а) з ультразвуковою обробкою та (б) без неї.
Chen et al. 2017

Ультразвукова асиметрична кристалізація перовскітів

Peng et al. (2016) розробили новий метод росту, заснований на асиметричній кристалізації, ініційованій кавітацією (CTAC), яка сприяє гетерогенному зародкоутворенню, надаючи достатньо енергії для подолання бар’єру зародкоутворення. Коротко кажучи, вони ввели дуже короткі ультразвукові імпульси (≈ 1 sec) у розчин, коли він досяг низького рівня пересичення з дифузією пари антирозчинника. Ультразвуковий імпульс вводять при високих рівнях пересичення, де кавітація ініціює надмірні події зародкоутворення і, отже, ріст великої кількості крихітних кристалів. Обнадійливо, що MAPbBr₃ монокристалічні плівки виросли на поверхні різноманітних підкладок протягом кількох годин циклічної ультразвукової обробки.

Ультразвуковий синтез квантових точок перовскітів

Chen et al. (2017) представляють у своїй дослідницькій роботі ефективний метод підготовки квантових точок (QDs) перовскіту під дією ультразвукового опромінення. Ультразвукова обробка використовується як механічний метод для прискорення осадження квантових точок перовскіту. Процес кристалізації квантових точок перовскіту інтенсифікується та контролюється за допомогою ультразвукової обробки, що призводить до точно налаштованого розміру нанокристалів. Аналіз структури, розміру частинок та морфології квантових точок перовскіту показав, що ультразвукова кристалізація дає менші розміри частинок і більш однорідний розподіл розмірів частинок. Використовуючи ультразвуковий (= сонохімічний) синтез, також було можливо виробляти квантові точки перовскіту з різними хімічними складами. Ці різні склади в кристалах перовскіту дозволяли «unable» піки емісії та краї адсорбції CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br та I), що призвело до надзвичайно широкого колірного діапазону.

Ультразвукова дисперсія

Ультразвукова обробка суспензій наночастинок та чорнил є надійною технікою для їхнього однорідного диспергування перед нанесенням наносуспензії на субстрати, такі як сітки або електроди. (пор. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ультразвукова дисперсія легко обробляє високі концентрації твердих речовин (наприклад, пасти) та розподіляє наночастинки в одночасно дисперговані частинки, так що виробляється однорідна суспензія. Це гарантує, що при подальшому нанесенні, коли субстрат покривається, жодне злипання, таке як агломерати, не погіршує ефективність покриття.

Ультразвукова дисперсія готує однорідні суспензії нанорозміру: зелена крива – до ультразвукової обробки / червона крива після ультразвукової обробки

Ультразвукові процесори для осадження перовскіту

Hielscher Ultrasonics розробляє та виробляє високоефективні ультразвукові системи для сонохімічного синтезу високоякісних кристалів перовскіту. Як лідер ринку та маючи багаторічний досвід в ультразвуковій обробці, Hielscher Ultrasonics допомагає своїм клієнтам від першого тесту на технічну можливість до оптимізації процесу та до фінальної установки промислових ультразвукових процесорів для великомасштабного виробництва. Пропонуючи повний портфель від лабораторних та настільних ультразвукових гомогенізаторів до промислових ультразвукових процесорів, Hielscher може порадити вам ідеальний пристрій для вашого процесу нанокристалів.
Усі ультразвукові гомогенізатори Hielscher є точно керованими та можуть бути налаштовані від дуже низьких до дуже високих амплітуд. Амплітуда є одним із основних факторів, що впливають на інтенсивність та руйнівну дію процесів ультразвукової обробки. Ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics забезпечують дуже широкий спектр амплітуд, охоплюючи діапазон від дуже м’яких та делікатних до дуже інтенсивних та руйнівних застосувань. Вибір правильного налаштування амплітуди, підсилювача та сонотрода дозволяє встановити необхідний ультразвуковий вплив для вашого конкретного процесу. Спеціальна вставка для проточної комірки Hielscher MPC48 – MultiPhaseCavitator (див. зображення ліворуч) – дозволяє ін’єктувати другу фазу через 48 канюль як “thin strain” у гарячу точку кавітації, де високоефективні ультразвукові хвилі розподіляють дві фази в однорідну суміш. MultiPhaseCavitator ідеально підходить для ініціації точок зародження кристалів та контролю реакції осадження перовскітових нанокристалів.
Промислові ультразвукові процесори Hielscher можуть забезпечувати надзвичайно високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можуть легко працювати безперервно в режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах та у вимогливих середовищах.
Наші клієнти задоволені видатною надійністю та стабільністю систем Hielscher Ultrasonic’s. Встановлення у сферах важких умов експлуатації, вимогливих середовищах та режимі роботи 24/7 забезпечує ефективну та економічну обробку. Інтенсифікація процесу за допомогою ультразвуку скорочує час обробки та досягає кращих результатів, тобто вищої якості, вищих виходів, інноваційних продуктів.
Наведені нижче таблиці дають уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових гомогенізаторів: